La doppia galassia sconcerta gli astronomi di Hubble: «Eravamo confusi»

Animazione 3D che mostra il telescopio spaziale Hubble sopra la Terra. Credito: ESA/Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

Gli astronomi hanno visto cose molto strane sparse nel nostro vasto universo, dall’esplosione di stelle alle galassie in collisione. Pertanto, potresti pensare che quando vedranno uno strano corpo celeste, saranno in grado di identificarlo.

ma NASAIl telescopio spaziale Hubble ha scoperto quella che sembra essere una coppia di oggetti dall’aspetto simile, così strani che gli astronomi hanno impiegato diversi anni per determinare cosa siano.

«Eravamo davvero sconcertati», ha detto l’astronomo Timothy Hamilton della Shawnee State University di Portsmouth, Ohio.

Gli UFO sono costituiti da una coppia di rigonfiamenti galattici (l’asse centrale pieno di stelle di una galassia) e da almeno tre linee parallele separate. Hamilton li ha scoperti per caso mentre utilizzava Hubble per esaminare un gruppo di quasar, i nuclei fumanti delle galassie attive.

Dopo aver inseguito teorie senza uscita, chiesto aiuto ai colleghi e fatto un sacco di graffi, Hamilton e il team in crescita guidato da Richard Griffiths dell’Università delle Hawaii a Hilo, finalmente mettono insieme tutti gli indizi per risolvere il mistero.

Gli oggetti lineari erano immagini allungate di una galassia lontana con una lente gravitazionale, situata a più di 11 miliardi di anni luce di distanza. Sembravano immagini identiche l’una dell’altra.

Il team ha scoperto che l’immensa gravità di un gruppo di galassie sovrapposte e non incorporate in primo piano delle galassie distorce, amplifica, illumina ed estende lo spazio di una galassia lontana dietro di essa, un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Sebbene le indagini di Hubble rivelino molte di queste distorsioni dello specchio e dello specchio causate dalla lente gravitazionale, questo oggetto è stato straordinariamente mistificante.

In questo caso, un sottile allineamento tra una galassia sullo sfondo e un ammasso di galassie in primo piano si traduce in due copie ingrandite della stessa immagine della galassia lontana. Questo raro fenomeno si verifica perché la galassia di fondo è un’increspatura nel tessuto dello spazio. Questa «increspatura» è una regione di maggiore inflazione, dovuta all’attrazione di dense quantità di materia oscura, la colla invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell’universo. Quando la luce della galassia lontana passa attraverso l’ammasso lungo questa increspatura, vengono prodotte due immagini speculari, insieme a una terza immagine che può essere vista di lato.

Griffiths paragona questo effetto ai luminosi motivi ondulati visti sul fondo di una piscina. «Pensa alla superficie ondulata di una piscina in una giornata di sole, che mostra schemi di luce intensa sul fondo della piscina», ha spiegato. Questi modelli luminosi nella parte inferiore sono causati da un tipo simile di effetto di lente gravitazionale. Le increspature sulla superficie fungono da lenti parziali e focalizzano la luce solare su lucidi motivi a zigzag sottostanti”.

In una galassia lontana con una lente gravitazionale, l’increspatura ingrandisce e distorce la luce della galassia di sfondo che passa attraverso l’ammasso. L’ondulazione funge da specchio imperfettamente curvo che genera i duplex.

risolvi il puzzle

Ma questo raro fenomeno non era ben noto quando Hamilton ha scoperto le strane caratteristiche lineari nel 2013.

Mentre sbirciava attraverso le immagini del quasar, apparve l’inquadratura di immagini riflettenti e linee parallele. Hamilton non aveva mai visto niente di simile prima, né l’aveva avuto nessuno degli altri membri del team.

«Il mio primo pensiero è stato che avrebbero potuto interagire con le galassie con le braccia tese in modo appuntito», ha detto Hamilton. «Non andava proprio bene, ma non sapevo nemmeno cosa pensare.»

Così Hamilton e il team hanno iniziato la loro ricerca per risolvere il mistero di queste sconcertanti linee rette, che in seguito sono state soprannominate «Oggetto Hamilton» per il loro scopritore. Hanno mostrato la strana immagine ai colleghi alle conferenze di astronomia, che hanno suscitato una varietà di risposte, dalle stringhe cosmiche alle nebulose planetarie.

Ma poi Griffiths, che non era un membro del team originale, ha offerto la spiegazione più plausibile quando Hamilton gli ha mostrato l’immagine a una riunione della NASA nel 2015. Era un’immagine ingrandita e distorta causata da un fenomeno di lente simile a quello visto a Hubble. Altre immagini di enormi ammassi di galassie amplificano le immagini di galassie molto distanti. Griffiths ha confermato questa idea quando ha appreso di un oggetto lineare simile in un rilevamento Hubble dell’ammasso profondo.

Tuttavia, i ricercatori hanno ancora affrontato un problema. Non sono stati in grado di determinare la massa dell’obiettivo. Tipicamente, gli astronomi che studiano gli ammassi di galassie vedono prima l’ammasso in primo piano che causa il riflesso, e poi trovano le immagini ingrandite delle galassie lontane all’interno dell’ammasso. La ricerca delle immagini della Sloan Digital Sky Survey ha rivelato un ammasso di galassie nella stessa regione delle immagini ingrandite, ma non sono apparse in nessuna indagine indicizzata. Tuttavia, il fatto che le strane immagini fossero al centro di un ammasso rese chiaro a Griffiths che l’ammasso stava producendo immagini lenticolari.

Il passo successivo dei ricercatori è stato determinare se le tre immagini fossero state riprese alla stessa distanza, e quindi fossero tutte immagini distorte della stessa galassia lontana. Le misurazioni spettroscopiche con gli osservatori Gemini e WM Keck alle Hawaii hanno aiutato i ricercatori a confermare questa affermazione, mostrando che le immagini provenivano da una galassia situata a più di 11 miliardi di anni luce di distanza.

La galassia lontana, basata sulla ricostruzione della terza immagine con l’obiettivo, sembra un vortice a zig-zag con una continua formazione di stelle bitorzolute.

Più o meno nello stesso periodo delle osservazioni spettroscopiche fatte da Griffith e dagli studenti universitari di Hilo, un gruppo separato di ricercatori di Chicago ha determinato la massa e ne ha misurato la distanza utilizzando i dati di Sloan. L’ammasso si trova a più di 7 miliardi di anni luce di distanza.

Ma con così poche informazioni sull’ammasso, il team di Griffiths stava ancora lottando su come spiegare queste insolite forme di lenti. «Questa lente gravitazionale è molto diversa dalla maggior parte delle lenti che Hubble ha studiato in precedenza, in particolare nell’indagine sugli ammassi Hubble Frontier Fields», ha spiegato Griffiths. «Non devi fissare quegli ammassi troppo a lungo per trovare molte lenti. In questo oggetto, questa è l’unica lente che abbiamo. E all’inizio non sapevamo nemmeno dell’ammasso».

Mappatura invisibile

Fu allora che Griffith contattò un’esperta in teoria delle lenti gravitazionali, Jenny Wagner dell’Università di Heidelberg in Germania. Wagner studiò oggetti simili e insieme al suo collega Nicholas Tessur, ora all’Università di Manchester in Inghilterra, sviluppò un programma per computer per interpretare lenti uniche come queste. Il loro software ha aiutato il team a scoprire come apparivano le tre immagini con un obiettivo. Hanno concluso che la materia oscura attorno alle immagini estese dovrebbe essere distribuita «senza intoppi» nello spazio su piccola scala.

«È fantastico che abbiamo bisogno solo di due immagini speculari per avere una misura di quanto la materia oscura sia o meno grumosa in queste posizioni», ha detto Wagner. «Qui, non stiamo usando alcun modello di obiettivo. Prendiamo solo ciò che si può osservare dalle immagini multiple e il fatto che possono essere trasformate l’una nell’altra. Possono essere piegate insieme con il nostro metodo. Questo ci dà davvero un’idea di quanto sia liscia la materia oscura in queste due posizioni.»

Questa scoperta è importante, ha detto Griffiths, perché gli astronomi non sanno ancora cosa sia la materia oscura, quasi un secolo dopo che è stata scoperta. Sappiamo che è una forma di materia, ma non abbiamo idea di cosa sia fatta la particella. Quindi non sappiamo affatto come si comporta. Sappiamo solo che ha massa ed è soggetto alla gravità. L’importanza dei limiti di dimensione nell’agglomerazione, o levigatezza, è che ci danno alcuni indizi su cosa sia una particella. Più piccola è la materia oscura, più massicce dovrebbero essere le particelle».

Il documento della squadra appare nel numero di settembre di Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Riferimento: «Hamilton’s Body – A Clustered Galaxy Stretching Long the Caustic Gravity of a Galactic Crowd: Constraints on Dark Matter Clustering» di Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang e Caroline Felforth, 17 maggio, 2021, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1375

Il telescopio spaziale Hubble è un progetto di collaborazione internazionale tra la NASA e l’Agenzia spaziale europea (ESA). Il telescopio è gestito dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. Lo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora, nel Maryland, conduce le operazioni scientifiche di Hubble. STScI è gestito per la NASA dal Consortium of Universities for Research in Astronomy a Washington, DC