Le galassie giocavano con regole diverse

"L'universo si è evoluto costantemente dal Big Bang di 13,7 miliardi di anni fa; ha assunto un aspetto diverso in ogni epoca, il che è incredibilmente affascinante", spiega Marcella Carollo, professoressa di astrofisica all'ETH di Zurigo. Il suo gruppo di ricerca ha studiato le galassie la cui luce ha viaggiato per più di 10 miliardi di anni prima di arrivare a noi. I ricercatori hanno così guardato indietro nell'universo primordiale, in cui erano passati solo circa 3 miliardi di anni dal Big Bang. Quest'epoca è particolarmente interessante perché all'epoca nacque un numero estremamente elevato di stelle, più che mai prima o dopo. "Nella nostra Via Lattea oggi nascono una o due stelle all'anno. Dieci miliardi di anni fa, in una galassia del genere c'erano probabilmente circa 200 soli all'anno", spiega l'astrofisico.

Le stelle grandi e massicce hanno una durata di vita breve su scala cosmica. Muoiono entro un periodo di circa 10 milioni di anni dalla loro nascita. Esplodono come supernove ed espellono materia, compreso l'ossigeno, nel gas circostante. "Questo è esattamente ciò che abbiamo misurato nel nostro lavoro", spiega Masato Onodera, fino a poco tempo fa membro del gruppo di ricerca dell'ETH e ora scienziato presso il Telescopio giapponese Subaru alle Hawaii. ? il primo autore dello studio, che è stato pubblicato sull'Astrophysical Journal.

Nascite e "metalli" non erano correlati

Il team ha osservato 41 galassie lontane e ha determinato la percentuale di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio presenti al loro interno. In astronomia, questi elementi pesanti, tra cui l'ossigeno, sono chiamati "metalli", a differenza della chimica, dove i metalli devono avere, ad esempio, un'elevata conducibilità elettrica. Sono stati gli elementi pesanti a rendere possibile la formazione dei pianeti in orbita intorno alle stelle. Anche noi siamo composti da "metalli astronomici".

Lo studio ha dimostrato che le galassie come la nostra Via Lattea contenevano un numero di metalli molto inferiore nell'universo primordiale rispetto agli attuali sistemi stellari. Rispetto a questi, l'abbondanza di metalli nel passato era solo del 20% circa. Questo fatto non ha sorpreso i ricercatori.

Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto con sorpresa che mancava una correlazione nota: nell'universo odierno, gli astronomi possono prevedere l'abbondanza di metalli in una galassia se sanno quante stelle si formano nella galassia ogni anno. Ad esempio, le galassie odierne con un alto tasso di nascita di stelle contengono meno metalli di quelle meno attive nella formazione stellare. "Se guardiamo all'universo primordiale di 10 miliardi di anni fa, questa correlazione viene meno", spiega Onodera. "Non c'è alcun legame tra il tasso di nascita delle stelle in una galassia primordiale e la quantità di elementi pesanti presenti".

Il modello della vasca da bagno

"Le scoperte sull'abbondanza di metalli ci danno importanti indizi sull'equilibrio fisico delle galassie nel corso delle epoche e sulla formazione di stelle e pianeti", dice Marcella Carollo. Ci sono molte teorie, ma solo sulla base di queste osservazioni possiamo scoprire quali considerazioni teoriche sono corrette".

L'astrofisico paragona le galassie a macchine in cui il gas, soprattutto idrogeno, scorre dall'esterno come l'acqua in una vasca da bagno. Il gas serve come serbatoio da cui si formano le stelle, ma una parte di esso viene anche espulsa di nuovo. "Per capire questa macchina e scoprire perché è diventata sempre più lenta negli ultimi 10 miliardi di anni, dobbiamo conoscere l'abbondanza di metalli", spiega Marcella Carollo. Questo perché la proporzione di elementi pesanti è il risultato della complessa interazione tra il gas in entrata e in uscita e la formazione stellare.

Misurazioni alle Hawaii

Il telescopio gigante Keck, con il suo specchio di 10 metri sul Mauna Kea alle Hawaii, ha permesso di guardare nel passato. Non solo fornisce immagini di oggetti lontani ed estremamente deboli, ma anche spettri che permettono di trarre conclusioni sugli elementi chimici presenti. A causa del forte spostamento verso il rosso della luce, le linee spettrali si trovano nella gamma degli infrarossi e sono molto difficili da rilevare. Questo è stato possibile grazie a uno spettrografo a infrarossi installato di recente. I ricercatori hanno anche potuto osservare più oggetti contemporaneamente, il che ha permesso un'acquisizione dei dati particolarmente efficiente.

"Ci è voluta una certa abilità diplomatica per ottenere l'agognato tempo al telescopio", dice Marcella Carollo. Il giapponese Masato Onodera ha fatto in modo che parte delle osservazioni venissero effettuate nell'ambito di un programma di scambio tra l'osservatorio americano Keck e il giapponese Subaru Telescope alle Hawaii, mentre Marcella Carollo ha attivato la sua buona collaborazione con il California Institute of Technology, cooperatore del Keck. "Il nostro lavoro è stato quindi un meraviglioso sforzo congiunto", afferma l'astrofisica.