Riassunto:
Gli astronomi credono da tempo che le esplosioni di supernova nell'universo primordiale potrebbero aprire canali per la luce ultravioletta ad alta energia attraverso potenti deflussi di gas, aiutando la luce a penetrare nel gas e nella polvere all'interno delle galassie, spingendo infine l'intero universo alla transizione da uno stato opaco a uno stato trasparente. Tuttavia, un recente studio effettuato con il telescopio spaziale Hubble ha trovato prove contrarie a questa spiegazione tradizionale: in alcune galassie, più veloce è il deflusso del gas, minore è la radiazione ionizzante che può fuoriuscire.
Questa ricerca è stata pubblicata su "Nature Astronomy" il 15 ottobre 2026. Osservando le vicine galassie starburst, i ricercatori hanno scoperto che i forti venti galattici causati dalle supernove potrebbero non aver aperto un percorso per la luce ultravioletta, ma hanno invece aumentato il blocco delle radiazioni da parte di gas neutri e polvere. Questo risultato fornisce nuovi indizi per comprendere come l’universo primordiale abbia posto fine ai suoi lunghi “secoli bui” e significa anche che gli scienziati potrebbero dover riesaminare il ruolo delle supernove nel processo di reionizzazione dell’universo.
Dopo il Big Bang, l'universo ha attraversato un lungo processo di espansione e raffreddamento. Inizialmente, la materia dell'universo era composta principalmente da idrogeno, elio e altri elementi. Quando la temperatura diminuiva, protoni ed elettroni si combinavano per formare atomi neutri. Successivamente, prima che apparissero le prime stelle e galassie, nell'universo mancavano oggetti celesti che potessero emettere continuamente una forte luce, entrando così in quelli che sono comunemente conosciuti come i "secoli bui" dell'universo.
Le cose iniziarono a cambiare dopo la formazione delle prime stelle e galassie. Le stelle giovani, calde e massicce possono emettere luce ultravioletta ad alta energia e alcuni fotoni sono abbastanza energetici da ionizzare gli atomi di idrogeno, facendo sì che gli atomi di idrogeno originariamente neutri perdano i loro elettroni e diventino protoni caricati positivamente. Man mano che le regioni ionizzate si espandono e si collegano, il gas tra le galassie diventa più permeabile alla luce.
Questo processo è chiamato "reionizzazione cosmica". È un punto di svolta importante nella storia dell'evoluzione dell'universo. Non solo cambia lo stato fisico del gas tra le galassie, ma determina anche se la radiazione ad alta energia emessa dalle galassie primordiali può diffondersi nello spazio lontano.
Tuttavia, la luce ultravioletta emessa dalle giovani stelle non sfugge necessariamente direttamente alla galassia. L'interno della galassia è pieno di gas e polvere e l'idrogeno neutro in esso contenuto può assorbire efficacemente la luce ultravioletta di specifiche lunghezze d'onda. Anche se una stella può produrre una grande quantità di radiazioni ionizzanti, se questa luce viene assorbita dal materiale circostante, sarà difficile influenzare il gas cosmico al di fuori della galassia.
Per spiegare come fuoriescono le radiazioni ionizzanti, gli scienziati hanno precedentemente proposto un meccanismo importante: una stella massiccia subisce un'esplosione di supernova alla fine della sua evoluzione, rilasciando un'enorme energia e spingendo il gas circostante a muoversi verso l'esterno ad alta velocità. In teoria, queste esplosioni potrebbero disperdere il gas all’interno della galassia, creando canali meno densi che consentono alla luce ultravioletta delle giovani stelle di penetrare più facilmente nella galassia.
Questa spiegazione è stata incorporata in molte simulazioni cosmologiche. Ma nuove osservazioni mostrano che i venti galattici guidati dalle supernova non sempre favoriscono la fuga delle radiazioni, e in alcuni casi possono anche avere l’effetto opposto.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato lo spettrografo delle origini cosmiche del telescopio spaziale Hubble per osservare sei galassie starburst vicine. Una galassia star burst si riferisce a una galassia con un'attività di formazione stellare estremamente attiva e la capacità di produrre un gran numero di nuove stelle per unità di tempo. La loro relativa vicinanza alla Terra consente loro di studiare dettagli come il movimento del gas, la formazione stellare e la diffusione delle radiazioni, e di aiutare gli scienziati a comprendere processi simili che potrebbero essersi verificati nel lontano universo primordiale.
I ricercatori hanno analizzato gli spettri ultravioletti di queste galassie, misurato la percentuale di fuga delle radiazioni ionizzanti e utilizzato le caratteristiche di assorbimento del gas per determinare la velocità del vento galattico. Poiché il gas a velocità diverse lascia caratteristiche di assorbimento in diverse posizioni e larghezze nello spettro, i ricercatori possono dedurre il flusso di gas e confrontare la relazione tra i venti galattici e la fuga di radiazioni.
I risultati mostrano che tra le galassie coinvolte nello studio, maggiore è la velocità del vento galattico, minore è la percentuale di radiazioni ionizzanti che può fuoriuscire. In altre parole, quanto più forte è il deflusso di gas, tanto più difficile sarà per la luce ultravioletta all’interno della galassia penetrare nel materiale circostante.
I ricercatori ritengono che ciò possa essere dovuto al fatto che le esplosioni di supernova iniettano una grande quantità di energia nel gas attorno alla galassia, disturbando la distribuzione originariamente relativamente stabile di gas e polvere. Sebbene i deflussi possano spingere il materiale verso i confini esterni delle galassie, possono anche far sì che l’idrogeno neutro e la polvere formino un’ostruzione più ampia in determinate direzioni, riducendo così la possibilità di fuga di radiazioni ionizzanti.
Ciò significa che più gas vengono rimossi dai venti galattici, più facile sarà la fuga della luce ultravioletta. Il suo effetto reale dipende dalla densità, dalla distribuzione e dal movimento del gas, nonché dal percorso specifico della radiazione che si propaga all'interno della galassia. Un forte movimento del gas può produrre allo stesso tempo sia effetti di compensazione che di blocco, e quale dei due sia dominante deve essere giudicato attraverso osservazioni reali.
Il gruppo di ricerca ha proposto che potrebbe esserci un'importante fase di fuga iniziale per le radiazioni ionizzanti: dopo la formazione di stelle massicce e prima delle prime esplosioni di supernova su larga scala, la radiazione prodotta dalle giovani stelle potrebbe aver iniziato a penetrare nel gas circostante. Quando le supernovae esplodono una dopo l'altra e si formano forti deflussi di gas, la fuga di radiazioni può essere soppressa.
Questa spiegazione è ovviamente diversa dalla teoria tradizionale. I modelli precedenti spesso sottolineavano che le esplosioni di supernova possono creare un ambiente più favorevole per la propagazione delle radiazioni ionizzanti ripulendo il materiale all’interno delle galassie. Una nuova ricerca suggerisce che il deflusso di gas provocato dalle supernova potrebbe non essere una condizione necessaria per avviare la fuga delle radiazioni. Almeno in alcune fasi dell’evoluzione delle galassie, la radiazione delle stelle giovani stesse e la struttura del gas che circonda la regione di formazione stellare potrebbero svolgere un ruolo più diretto.
Stephen McCandless, ricercatore presso la Johns Hopkins University, ha affermato che le osservazioni mostrano che l'energia iniettata dalla supernova nell'ambiente circostante può aumentare la copertura di gas neutro e polvere che blocca le radiazioni ionizzanti. Questa scoperta richiede agli scienziati di studiare ulteriormente come la radiazione e i venti stellari delle giovani stelle cambiano l’ambiente circostante prima che si verifichi un’intensa attività di supernova.
Cen Renyu, ricercatore dell'Università di Zhejiang, ha inoltre sottolineato che le supernovae hanno sempre avuto un ruolo importante nelle simulazioni cosmologiche di fluidodinamica che spiegano la fuga delle radiazioni ionizzanti. Lo studio suggerisce che le simulazioni devono considerare con maggiore attenzione il modo in cui le radiazioni e i venti stellari delle giovani stelle influenzano il gas all’interno delle galassie prima che esplodano le prime supernove.
Tuttavia, questo studio non ha osservato direttamente le galassie durante il periodo di reionizzazione dell'universo. Poiché la reionizzazione è avvenuta circa 13 miliardi di anni fa, i ricercatori non possono analizzare direttamente il movimento del gas all’interno della galassia in quel momento, come possono invece osservare le galassie vicine. Pertanto, hanno scelto di osservare le galassie star burst vicine e di utilizzare questi oggetti relativamente facili da studiare per testare possibili meccanismi fisici che esistevano nell’universo primordiale.
Ciò significa anche che le conclusioni della ricerca presentano ancora alcuni limiti. Ci sono solo sei galassie in questo campione, quindi non può essere dimostrato che i venti di supernova in tutte le galassie inibiscano la fuga delle radiazioni ionizzanti. Le masse, i tassi di formazione stellare, le composizioni chimiche e le strutture gassose delle diverse galassie possono variare notevolmente e i meccanismi coinvolti possono funzionare in modo diverso in ambienti diversi.
Il gruppo di ricerca prevede di guadagnare più tempo di osservazione con il telescopio Hubble, espandere la dimensione del campione e studiare ulteriormente la relazione tra la proporzione della radiazione in fuga e la velocità del deflusso del gas in diverse galassie. Ulteriori osservazioni aiuteranno a determinare se la fuga di radiazioni è comune nelle stelle giovani e quale ruolo svolgono le esplosioni di supernova nel processo complessivo.
Per lo studio della reionizzazione cosmica, una questione chiave non è solo quando sono apparse le prime stelle e galassie, ma anche come la luce ad alta energia da esse prodotta è passata attraverso le loro stesse galassie e ha influenzato l'ambiente cosmico più ampio. Anche se le prime galassie fossero in grado di produrre luce ultravioletta sufficientemente intensa, se questa radiazione non potesse fuoriuscire, il suo impatto sul gas intergalattico sarebbe comunque limitato.
Questa scoperta di Hubble suggerisce che il processo dell'universo che emerge dalla "nebbia" dell'idrogeno primordiale potrebbe essere più complesso dei semplici modelli precedenti. Le esplosioni di supernova non solo possono rimodellare la distribuzione della materia all’interno delle galassie, ma possono anche ostacolare la diffusione delle radiazioni ionizzanti in determinate condizioni. Man mano che si accumulano più dati osservativi, ci si aspetta che gli scienziati chiariscano ulteriormente le interazioni tra giovani stelle, supernovae, gas e polvere, e ricostruiscano un quadro dell’evoluzione dell’universo dall’oscurità alla trasparenza.
Commenti