Le galassie appare che si muovano come in un Universo a palla

Ci sono sempre più prove che l’universo sia collegato da strutture gigantesche. Sappiamo che le galassie si condizionano a vicenda a grandissime distanze e contro tutte le previsioni dei modelli cosmologici. Il motivo potrebbe ribaltare del tutto la nostra idea dell’universo.

La Via Lattea, la galassia in cui viviamo, è una su centinaia di miliardi di galassie sparpagliate per l’universo. Ce ne sono di tutti i tipi: galassie ellittiche, spirali, ad anello e galassie così antiche che fanno impallidire praticamente qualsiasi altra cosa nel cosmo.

Ma nonostante le differenze—e le distanze sbalorditive che le separano—gli scienziati hanno notato che alcune galassie si muovono insieme, seguendo schemi bizzarri e spesso inspiegabili, come se fossero collegate tramite una forza potentissima e invisibile.

Galassie che si trovano a pochi milioni di anni luce l’una dall’altra possono influenzarsi gravitazionalmente a vicenda in modi prevedibili, ma gli scienziati hanno osservato degli schemi ricorrenti tra galassie molto più distanti, che trascendono dalle interazioni locali.

Queste scoperte indicano l’influenza delle cosiddette “strutture a grande scala” che, come si intuisce dal nome, sono i più grandi oggetti conosciuti nell’universo. Queste strutture deboli sono fatte di idrogeno gassoso e materia oscura e assumono la forma di filamenti, piani e nodi che legano le galassie in una rete enorme chiamata rete cosmica. Sappiamo che queste strutture hanno implicazioni importanti per l’evoluzione e i movimenti delle galassie, ma ignoriamo quasi tutto delle dinamiche fondamentali che le guidano.

Gli scienziati sono ansiosi di scoprire nuovi dettagli a riguardo, perché alcuni di questi fenomeni sfidano le idee che abbiamo dell’universo.

“È questa la ragione per cui tutti finiscono a studiare le strutture a grande scala,” ha detto Noam Libeskind, cosmografo dell’Istituto di Astrofisica di Leibniz (AIP), in Germania, in una telefonata con Motherboard. “È un modo per sondare e carpire le leggi della gravità e la natura della materia, della materia oscura, dell’energia oscura e dell’universo.”

Perché le galassie distanti si muovono all’unisono?

Le galassie tendono a formare ammassi legati gravitazionalmente che appartengono a superammassi ancora più grandi. L’indirizzo per esteso del pianeta Terra, per esempio, dovrebbe specificare che la Via Lattea fa parte del Gruppo Locale, una banda di diverse decine di galassie. Il Gruppo Locale è dentro al superammasso della Vergine, che contiene oltre 1000 galassie.

A queste scale più “locali,” le galassie condizionano spesso rotazione, forma e velocità angolare l’una dell’altra. Alle volte, addirittura, capita che una galassia si divori un’altra galassia, un evento noto come cannibalismo galattico. Ma alcune galassie mostrano collegamenti dinamici su distanze troppo grandi per essere spiegate dai loro singoli campi gravitazionali.

Per esempio, uno studio pubblicato su Astrophysical Journal a ottobre ha evidenziato che centinaia di galassie ruotavano in sincronia con i moti di galassie che sono lontane decine di milioni di anni luce.

“La scoperta è nuova e inaspettata,” ha detto l’autore principale Joon Hyeop Lee, un astronomo dell’Istituto di Scienze Spaziali e Astronomia della Corea, via email. “Non ho mai visto prima report di osservazioni o previsioni fatte da simulazioni numeriche che fossero esattamente correlati a questo fenomeno.”

Lee e colleghi hanno studiato 445 galassie entro 400 milioni di anni luce dalla Terra, e si sono accorti che molte di quelle che ruotavano in direzione della Terra avevano vicine che si muovevano verso la Terra a loro volta, mentre quelle che ruotavano in direzione opposta avevano vicine che si allontanavano dalla Terra.

“La coerenza osservata deve avere qualche relazione con le strutture a grande scala, perché è impossibile che galassie separate da sei megaparsec [circa 20 milioni di anni luce] interagiscano direttamente tra loro,” ha detto Lee.

L’ipotesi di Lee e colleghi è che le galassie sincronizzate siano incorporate lungo la stessa struttura a grande scala, che ruota molto lentamente in senso antiorario. Questa dinamica implicita potrebbe essere alla base della coerenza misteriosa tra le galassie studiate e le loro vicine, per quanto lo scienziato abbia avvertito che sono necessari ulteriori studi per confermare i risultati del suo team.

Per quanto questa iterazione sincronizzata sia una novità, è da tempo che gli scienziati notano fenomeni e comportamenti ripetuti tra galassie troppo lontane. Nel 2014, un team di ricercatori aveva osservato allineamenti bizzarri di buchi neri supermassicci nei nuclei di quasar—che sono galassie ultra-luminose estremamente antiche, che si estendono per miliardi di anni luce.

Guidati da Damien Hutsemékers, un astronomo dell’Università di Liegi, i ricercatori erano riusciti a osservare questa inquietante sincronicità andando a guardare l’universo quando aveva solo pochi miliardi di anni, usando il VLT (Very Large Telescope) in Cile. Le osservazioni hanno registrato la polarizzazione della luce da quasi 100 quasar, che il team ha poi utilizzato per ricostruire la geometria e l’allineamento dei buchi neri nei propri nuclei. I risultati hanno dimostrato che gli assi di rotazione di 19 quasar in questo gruppo erano paralleli tra loro, nonostante fossero separate una dall’altra da svariati miliardi di anni luce.

Questa scoperta, che è stata pubblicata sulla rivista scientifica Astronomy & Astrophysics, va a indicare che le strutture a grande scala hanno influenzato le dinamiche di galassie lontane nell’universo primordiale.

“Gli assi di rotazione di una galassia sono noti per allinearsi con strutture a grande scala come i filamenti cosmici, ma questo succede su scale più piccole,” ha detto Hutsemékers via email, sottolineando che alcuni studi teorici hanno proposto spiegazioni ipotetiche del processo.

“Ad ogni modo, al momento non c’è spiegazione alcuna del motivo per cui gli assi dei quasar siano allineati con l’asse del grande gruppo in cui sono incorporati,” ha detto.

La verità dietro le galassie sincronizzate potrebbe cambiare tutto.

Il segreto di queste galassie sincronizzate potrebbe minacciare il principio cosmologico, una delle teorie fondamentali che abbiamo sull’universo, secondo cui l’universo è sostanzialmente uniforme e omogeneo su scale estremamente grandi. Ma “l’esistenza di correlazioni negli assi dei quasar su scale così estreme costituirebbe una grave anomalia per il principio cosmologico,” spiegano Hutsemékers e colleghi nel loro studio.

Ad ogni modo, Hutsemékers ha precisato che è necessario trovare e studiare altre di queste strutture per dimostrare che ci sia una crepa seria nel principio cosmologico, o “per confermare una vera anomalia,” ha detto.

Per il momento, le dinamiche responsabili delle posizioni dei quasar non sono chiarissime, perché ci sono poche tecniche di osservazione. “Per quanto riguarda gli allineamenti su ampia scala, stiamo essenzialmente aspettando altri dati,” ha detto Hutsemékers. “Questi studi sono statistici e ogni passo in avanti richiede enormi quantità di dati di polarizzazione, che non sono facili da raccogliere con la strumentazione attuale.”

I futuri radiotelescopi, come lo Square Kilometer Array, potrebbero aiutarci.

Gli allineamenti dei quasar non sono l’unico grattacapo che le galassie sincronizzate hanno dato ai modelli noti dell’universo. Anzi, uno dei dibattiti più controversi nella cosmologia oggi è incentrato sul modo inaspettato in cui le galassie nane sembrano allinearsi perfettamente con le galassie ospiti più grandi, come la Via Lattea.

Queste galassie satellite sono al momento una spina nel fianco del modello Lambda-CDM, che è una cronologia teorica dell’universo a partire dal Big Bang. Le simulazioni dell’universo basate sul modello Lambda-CDM prevedono che le piccole galassie satellite finiscano, prima o poi, in uno sciame di orbite casuali intorno alle grandi galassie ospite.

Ma nel corso dell’ultimo decennio, nuove osservazioni hanno rivelato che una fetta consistente di galassie satellite intorno alla Via Lattea sono sincronizzate in un piano orbitale preciso e ordinato. All’inizio, gli scienziati si sono chiesti se, semplicemente, la nostra galassia avesse qualcosa di strano, ma un piano simile di satelliti è stato osservato anche intorno ad Andromeda.

I campanelli d’allarme hanno iniziato a suonare con prepotenza nel 2015, quando gli astronomi hanno pubblicato delle osservazioni dello stesso fenomeno una terza volta, relativamente a Centaurus A, una galassia ellittica a circa 10 milioni di anni luce dalla Via Lattea.

Questa scoperta “suggerisce che c’è qualcosa di sbagliato nelle simulazioni cosmologiche standard,” stando a uno studio successivo uscito nel 2018 su Science e guidato da Oliver Müller, un astronomo dell’Università di Strasburgo, in Francia.

“Al momento, abbiamo osservato questo fenomeno nelle tre galassie più vicine,” ha detto Müller in una telefonata. “Ovviamente, puoi sempre dire che sono solo queste tre, non è ancora abbastanza per fare una statistica. Ma se ogni volta che abbiamo dati buoni, c’è questo riscontro, potrebbe essere universale.”

In uno studio del 2015, Libeskind e colleghi hanno suggerito che a guidare queste galassie organizzate potrebbero essere i filamenti della rete cosmica, un processo possibilmente coerente con il modello Lambda-CDM. Alla fine, però, non ci sono ancora risposte definitive al dilemma.

“Una delle cose migliori della scienza è che puoi avere un modello costruito con migliaia di pezzi di dati ma se c’è una sola cosa che non si incastra, inizia a creparsi,” ha detto Libeskind. “Quella crepa deve essere sigillata, o farà crollare tutto.”

La prossima generazione di ricerche galattiche

Questa affascinante incertezza ha motivato astronomi come Marcel Pawlowski, collega di Schwarzschild all’AIP e co-autore dello studio pubblicato su Science nel 2018, a mettere questo problema al centro delle loro ricerche. Pawlowski attende con ansia i dati della nuova generazione di telescopi con apertura dello specchio principale di 30 metri.

“Ora dobbiamo allargare le nostre ricerche a sistemi satellite più distanti, trovare galassie satellite e misurare le loro velocità,” ha detto Pawlowski al telefono.

“Il campo è avanzato moltissimo grazie a questo dibattito tra accademici,” ha aggiunto. “È bello vedere come le prove ottenute tramite osservazione stiano diventando sempre più solide.”

Che si tratti dei moti bizzarri delle galassie nane nel nostro quartiere galattico o del misterioso allineamento delle galassie che si trovano a milioni o miliardi di anni luci una dall’altra, è chiaro che la danza delle galassie è una chiave essenziale per scoprire come funziona l’universo.

Le galassie che vediamo sempre immortalate in posizioni statiche sono in realtà guidate da molteplici forze complesse che non comprendiamo ancora del tutto, inclusa la rete cosmica.

“La cosa che mi piace di più di tutto questo è che siamo ancora solo all’inizio,” ha detto Müller. “È esaltante.”