Prima delle galassie riconoscibili, dei pianeti e perfino delle stelle che illuminano il cielo, il cosmo attraversò una fase profondamente diversa da quella attuale. La materia era distribuita in immense regioni di gas, mentre la gravità preparava lentamente le strutture che avrebbero popolato lo spazio. Ma che aspetto aveva davvero l’universo quando era ancora giovanissimo? E come riuscì a uscire dalla lunga oscurità seguita al Big Bang?
Una risposta arriva da Lumina, una simulazione scientifica che ricostruisce circa 2 miliardi di anni di evoluzione cosmica. Realizzata da un gruppo internazionale con ricercatori del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian e del Massachusetts Institute of Technology, permette di osservare virtualmente la nascita delle prime galassie e la trasformazione del gas che riempiva lo spazio. Il lavoro è stato descritto sulla rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Le immagini sono spettacolari: filamenti intrecciati, concentrazioni di materia e zone luminose che sembrano dilatarsi come bolle. Eppure il loro valore va oltre l’effetto visivo. I colori rappresentano proprietà fisiche calcolate, come densità, temperatura, velocità del gas e stato di ionizzazione. Non si tratta quindi di fotografie scattate da un telescopio o di una ripresa autentica del passato, ma di una ricostruzione fondata su modelli astrofisici.
Per realizzarla, i ricercatori hanno riprodotto un volume cosmico equivalente a un cubo di circa 1,6 miliardi di anni luce per lato, espresso in coordinate che tengono conto dell’espansione dell’universo. Al suo interno si trovano 432 miliardi di elementi numerici che descrivono materia oscura e gas. Dimensioni e dettaglio consentono di studiare processi che, su scale più piccole, rischierebbero di sfuggire.
La curiosità maggiore riguarda il momento in cui il cosmo ha cominciato a diventare simile a quello che conosciamo. Perché alcune regioni si sono illuminate prima di altre? Che ruolo hanno avuto le stelle e i buchi neri? Lumina offre uno strumento per cercare risposte confrontabili con le osservazioni astronomiche.
Che cosa rende Lumina così speciale?
Lumina combina estensione e precisione in una simulazione che segue contemporaneamente gravità, gas e radiazione. Il percorso inizia circa 45 milioni di anni dopo il Big Bang.
Rispetto a precedenti simulazioni comparabili, il volume studiato è circa 100 volte più grande. Il modello deriva da IllustrisTNG, un programma di ricerca sulla formazione delle galassie, arricchito con il trasporto della radiazione.
I calcoli sono stati eseguiti sul supercomputer Frontier, presso l’Oak Ridge National Laboratory, utilizzando oltre 100.000 core di elaborazione e migliaia di acceleratori grafici.
Perché il giovane universo attraversò un periodo di oscurità?
Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, l’universo si raffreddò abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei atomici, formando soprattutto idrogeno neutro. La radiazione fossile poté propagarsi, ma non esistevano ancora stelle capaci di illuminare lo spazio con nuova luce.
È la fase che gli astronomi chiamano età oscura cosmica. Con il passare del tempo, la gravità addensò il gas all’interno di strutture dominate dalla materia oscura.
Da queste concentrazioni nacquero le prime stelle, che iniziarono a modificare profondamente l’ambiente circostante.
Che cosa sono le gigantesche bolle comparse nello spazio?
Le bolle mostrano le regioni in cui la luce ultravioletta delle prime stelle ha ionizzato l’idrogeno. Questa radiazione era abbastanza energetica da separare gli elettroni dagli atomi neutri, cambiando il modo in cui il gas assorbiva la luce.
Il fenomeno è chiamato reionizzazione dell’idrogeno. Non avvenne contemporaneamente ovunque: le zone ionizzate comparvero attorno alle sorgenti luminose, si allargarono e finirono per unirsi.
La simulazione permette di seguire questa trasformazione irregolare e di valutare quanto le giovani galassie contribuirono a rendere più trasparente il mezzo intergalattico.
Quale ruolo ebbero i buchi neri supermassicci?
I buchi neri attivi contribuirono soprattutto a una seconda trasformazione: la reionizzazione dell’elio. La materia che cade verso un buco nero supermassiccio può emettere radiazioni estremamente energetiche, capaci di sottrarre un ulteriore elettrone all’elio già ionizzato.
Lumina segue l’effetto di queste emissioni insieme a quello prodotto dalle stelle.
La distinzione è importante: sorgenti differenti influenzavano il gas in epoche e regioni diverse. Studiare entrambi i fenomeni nello stesso modello aiuta a comprendere come cambiarono la temperatura e lo stato di ionizzazione dello spazio tra le galassie.
Perché nelle immagini compare una ragnatela cosmica?
La ragnatela cosmica rappresenta la distribuzione della materia su grandissime distanze. I filamenti collegano regioni più dense, dove la gravità favorisce l’accumulo di gas e la formazione delle galassie. Tra questi collegamenti si estendono vaste zone relativamente vuote.
Nelle visualizzazioni di Lumina, una parte di questa trama evidenzia la materia oscura, che non emette luce osservabile direttamente.
Altri colori indicano, per esempio, la velocità dei flussi di gas. Non sono colori che l’occhio umano vedrebbe nello spazio: servono a tradurre i risultati dei calcoli in immagini interpretabili.
La simulazione ha risolto il mistero delle prime galassie?
Lumina offre previsioni da mettere alla prova, non una registrazione definitiva della storia cosmica. I modelli descrivono processi fisici complessi attraverso approssimazioni, e la risoluzione non consente di seguire ogni singola stella.
Il confronto decisivo sarà con i dati del telescopio spaziale James Webb e con le osservazioni di grandi campioni di galassie, comprese quelle previste dalla missione Nancy Grace Roman.
Se le caratteristiche delle strutture osservate coincideranno con le previsioni, i modelli ne usciranno rafforzati. Le discrepanze, invece, indicheranno quali aspetti devono essere rivisti.
È questo il contributo scientifico di Lumina: rendere verificabili le ipotesi sulle origini delle strutture cosmiche, avvicinando la ricerca alla comprensione di come l’universo sia passato dall’oscurità alle prime galassie.
