Dall'Alba al Tramonto
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- Mercoledì, 01 Dicembre 2021 07:06
Circa il 90% della materia visibile (barionica) nell’Universo è composto da gas cosmico. Esso è il motore principale che, attraverso processi di raffreddamento e condensazione, regola la formazione stellare e la crescita delle galassie dalle prime fasi di vita dell’Universo, l’alba cosmica, fino alla reionizzazione e alle epoche cosmologiche più avanzate.
Il gas si frammenta in siti caratterizzati da temperature basse e da una composizione chimica dominata da idrogeno neutro, HI, ed idrogeno molecolare, H2, la molecola più abbondante nel Cosmo. Pertanto, studiare l’evoluzione del gas freddo e l’origine delle sue componenti (atomica e molecolare) è uno degli obiettivi più impegnativi sia dal punto di vista teorico che osservativo.
Proprio ultimamente, uno studio condotto in collaborazione tra scienziati dell’Osservatorio Astronomico di Trieste, dell’Istituto Max Planck per l’Astrofisica (MPA), in Germania, e dell’Osservatorio Europeo nell’Emisfero Meridionale (ESO), ha fatto luce sulle origini e sull’evoluzione delle suddette specie chimiche.Lo studio, a prima firma Umberto Maio, dell’Osservatorio di Trieste, ed in pubblicazione su Astronomy & Astrophysics, ha utilizzato avanzate simulazioni numeriche tridimensionali ed impiegato decine di milioni di ore di calcolo ad alte prestazioni per seguire i processi fisici che regolano lo stato termodinamico di atomi e molecole dai tempi primordiali a tempi più recenti.
Oltre ai vari canali di formazione dell’H2, i modelli implementati hanno tenuto in considerazione per la prima volta processi molto dettagliati e tipici del gas freddo, quali la formazione molecolare sulla superficie di granelli di polvere, il riscaldamento dovuto ad effetto fotoelettrico o raggi cosmici, e la schermatura dell’idrogeno alla radiazione UV.
Gli studiosi hanno confrontato le predizioni teoriche con le determinazioni osservative per HI e H2 a diversi redshifts e tratte da vari programmi ALMA, VLA, NOEMA e UKIRT, scoprendo che le abbondanze di H2 possono essere spiegate come il risultato della catalisi di elettroni/H- a basse metallicità e della polvere ad alte metallicità in gas freddo schermato dai fotoni UV. Benché i diversi processi possano avere impatti non banali, le tempistiche in cui stelle e galassie producono fotoni UV e (re)ionizzano il gas cosmico risultano cruciali per il raggiungimento di un accordo tra teoria e osservazioni.
Le conclusioni dello studio rivelano che la formazione di un fondo UV già nel primo mezzo miliardo di anni è in tensione con la successiva formazione di molecole. Un’epoca di reionizzazione ritardata, in cui la radiazione UV viene prodotta con tassi più moderati, risulta invece favorita.
I tempi scala trovati per la conversione del gas molecolare in stelle hanno chiarito comunque la possibilità di formare localmente notevoli riserve di H2, spiegandone l’origine in epoche anche molto remote.
Alla luce di tali risultati, ci sono da attendersi negli anni a venire nuove scoperte di galassie primordiali con elevato tasso di formazione stellare, agevolate dalle grandi missioni internazionali di prossima generazione e decisive per comprendere l’intero ciclo dei barioni.
Campo di densità simulato con corrispondenti mappe di idrogeno neutro (sinistra) e molecolare (destra).
