Charting the expansion of the Universe from z$\sim$0 to z$\sim$14 with HII galaxies

Immaginate l'Universo come un enorme palloncino invisibile che si è gonfiato sin dal momento della sua nascita. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente quanto velocemente questo palloncino si stia espandendo e se questa velocità stia cambiando. Per farlo, hanno bisogno di "candele standard": oggetti nello spazio la cui luminosità è nota e prevedibile. Confrontando quanto questi oggetti dovrebbero essere luminosi con quanto effettivamente appaiono luminosi dalla Terra, gli astronomi possono calcolare quanto sono lontani e quanto velocemente lo spazio tra noi e loro si sta dilatando.

Per molto tempo, i migliori strumenti per questo compito sono state le supernovae di Tipo Ia (stelle che esplodono) e la Radiazione Cosmica di Fondo (l'eco residuo del Big Bang). Ma questi strumenti hanno dei limiti: le supernovae sono difficili da vedere nell'Universo primordiale, e il bagliore di fondo ci parla solo dell'inizio. Per comprendere davvero l'intera storia dell'espansione cosmica, gli scienziati avevano bisogno di un nuovo tipo di righello che potesse raggiungere l'alba cosmica, l'era in cui le prime stelle stavano appena iniziando a brillare. È qui che entra in gioco un tipo speciale di galassia: la galassia H II. Queste sono culle caotiche di formazione stellare che brillano di una luce intensa. Se la loro luminosità e la velocità delle loro nubi di gas sono collegate in un modo affidabile, potrebbero servire come un righello cosmico che si estende dal nostro quartiere locale fino all'inizio dei tempi.

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Il Righello Cosmico che Raggiunge l'Alba

Un team di astronomi ha appena compiuto un'impresa massiccia di cartografia cosmica. Hanno tracciato l'espansione dell'Universo utilizzando un nuovo righello super-lungo fatto di galassie H II, che si estende dal nostro cortile locale fino a un tempo in cui l'Universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni. Questo studio, pubblicato su MNRAS, prende il "diagramma di Hubble" — una mappa che mostra come la distanza sia correlata al redshift (quanto la luce di un oggetto si è allungata) — ed estende il suo raggio fino a un redshift record di $z \sim 14$.

Per capire cosa abbiano fatto, immaginate un musicista che cerca di accordare una chitarra. Se sapete che una corda specifica dovrebbe vibrare a una certa velocità per produrre una nota particolare, potete capire se la corda è lenta o tesa solo ascoltando l'intonazione. Nell'Universo, le galassie H II sono come quelle corde di chitarra. Sono intensi scoppi di formazione stellare dove stelle giovani e massicce emettono energia, creando nubi di gas luminose. Il documento si basa su una relazione nota tra la luminosità (quanto è brillante la galassia) e la dispersione di velocità (quanto velocemente il gas al suo interno si muove). Più velocemente si muove il gas, più la galassia tende a essere luminosa.

Il team ha raccolto un campione massiccio di 243 di queste galassie. Hanno incluso 36 galassie "ancora" vicine, le cui distanze erano già note attraverso altri metodi (come la misurazione della luminosità di tipi specifici di stelle). Poi, hanno aggiunto 107 galassie H II locali e un enorme gruppo di galassie distanti osservate dal Telescopio Spaziale James Webb (JWST) e dal radiotelescopio ALMA. Alcuni di questi nuovi bersagli sono così lontani che la loro luce viaggia da oltre 13 miliardi di anni, originandosi quando l'Universo era nella sua "alba cosmica".

La Grande Scoperta: Le Regole Non Sono Cambiate

La parte più eccitante del documento è ciò che hanno scoperto guardando le galassie più antiche e distanti. Per un po', c'era la preoccupazione che la "corda di chitarra" potesse cambiare accordatura nel tempo. Alcuni ricercatori avevano suggerito che nell'Universo primordiale queste galassie potessero comportarsi diversamente, rendendo la relazione tra la loro velocità e la loro luminosità più piatta o interrotta. Se ciò fosse stato vero, usare queste galassie come righello per l'Universo primordiale sarebbe stato come cercare di misurare una stanza con un elastico che si allunga in modo diverso la mattina rispetto alla sera.

Tuttavia, questo articolo dimostra che le regole non sono cambiate affatto. Gli autori hanno scoperto che la relazione tra luminosità e velocità del gas rimane solida come una roccia, anche per le galassie con redshift così elevati come $z \sim 14$. Che guardassero galassie vicine o galassie dell'alba dei tempi, la "tonalità" era la stessa. I dati non mostrano prove che la fisica che governa queste regioni di formazione stellare sia evoluta significativamente durante il 98% della storia dell'Universo. Questo è un grande passo avanti perché significa che le galassie H II sono un modo affidabile e indipendente per misurare le distanze cosmiche attraverso quasi tutta l'età dell'Universo.

Cosa Ci Dice Questo sull'Energia Oscura

Con questo righello affidabile in mano, il team ha calcolato la storia dell'espansione dell'Universo. Hanno testato diversi modelli di come l'Universo si espande, guardando in particolare all'energia oscura, la forza misteriosa che spinge l'espansione ad accelerare.

Utilizzando un modello standard chiamato $\Lambda$CDM (che assume che l'energia oscura sia una forza costante), hanno calcolato la costante di Hubble ($h$) e la densità di materia ($\Omega_m$). I loro risultati sono:

• $h = 0.725 \pm 0.040$
• $\Omega_m = 0.308^{+0.043}_{-0.053}$

Hanno anche testato modelli in cui l'energia oscura potrebbe cambiare nel tempo (usando i parametri $w_0$ e $w_a$). Le loro scoperte suggeriscono che l'energia oscura si comporta molto come una costante, con valori coerenti con il modello cosmologico standard. Ad esempio, hanno trovato $w_0 = -0.96^{+0.53}_{-0.21}$, che è molto vicino al valore di $-1$ atteso per un'energia oscura costante.

Perché Questo È Importante

Il documento esclude esplicitamente l'idea che la relazione $L-\sigma$ (il legame luminosità-velocità) cambi significativamente ad alti redshift. Gli autori sostengono che i precedenti suggerimenti di una "pendenza più piatta" per le galassie distanti fossero probabilmente dovuti a intervalli di dati limitati, non a un reale cambiamento della fisica. Confermando che queste galassie si comportano allo stesso modo nell'universo primordiale come oggi, gli autori hanno aperto una nuova via per testare la nostra comprensione del cosmo.

Non hanno solo trovato un nuovo numero; hanno validato un metodo. Dimostrando che le galassie H II funzionano come una "candela standardizzabile" da $z \sim 0$ a $z \sim 14$, hanno fornito ai cosmologi un potente nuovo strumento per verificare se le nostre attuali teorie sull'espansione dell'Universo siano corrette. I risultati si allineano strettamente con altri grandi studi che utilizzano le supernovae, rafforzando l'idea che il nostro attuale modello dell'Universo sia sulla strada giusta, anche quando guardiamo indietro ai primissimi istanti della storia cosmica.

In breve, la storia dell'espansione dell'Universo viene scritta con una nuova penna e, finora, la storia appare coerente dalla prima pagina all'ultima. Le "corde di chitarra" dell'universo primordiale cantano la stessa canzone di quelle del nostro cortile, provando che le leggi fondamentali della fisica sono rimaste costanti per miliardi di anni.