Luglio 16, 2024

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James Webb risolve il mistero dell'emissione alfa di Lyman in cosmologia

James Webb risolve il mistero dell'emissione alfa di Lyman in cosmologia

Senza dubbio l'intera comunità astronomica aveva grandi speranze quando il 25 dicembre 2021 il James Webb Space Telescope (JWST) è stato lanciato. Ha raggiunto il punto di Lagrange L2, la sua destinazione, e quindi la regione dell'orbita terrestre dove il satellite Planck ha condotto la sua sorprendente studio della radiazione fossile, la luce più antica conosciuta, che può essere osservata nell'universo, raccontandoci la sua età, curvatura, forma e contenuto. Sulla materia e sull'energia oscura.

La radiazione fossile fu emessa nel giro di poche migliaia di anni, circa 380.000 anni dopo il Big Bang. James Webb non fa osservazioni così precoci sulla storia dell'universo osservabile, ma potrebbe permetterci di tornare indietro di almeno 250 milioni di anni dopo il Big Bang e almeno di comprendere meglio gli strati di luce. Milioni e miliardi di anni, che erano già raggiungibili da Hubble ma in modo incompleto.

Per 13,8 miliardi di anni l’universo ha continuato ad evolversi. Contrariamente a quanto ci dicono i nostri occhi quando guardiamo il cielo, la sua forma è tutt'altro che statica. I fisici effettuano osservazioni di diverse epoche dell'universo ed eseguono simulazioni in cui ricreano l'universo e la sua evoluzione. Sembra che la materia oscura abbia svolto un ruolo importante dall’inizio dell’universo fino alla formazione delle grandi strutture che osserviamo oggi. © CEA Ricerca

Galassie primordiali che dovrebbero essere invisibili nell'emissione alfa di Lyman

Tuttavia, un articolo pubblicato in astronomia naturale, Che puoi trovare gratuitamente su arXiv, Riporta le osservazioni del telescopio spaziale James Webb che risolvono un mistero che tormenta i cosmologi da qualche tempo. Secondo il modello cosmologico standard basato sulla materia oscura e sull’energia oscura, le galassie più distanti non dovrebbero brillare così tanto a causa della cosiddetta emissione Lyman-alfa da parte degli atomi di idrogeno. Brilleranno addirittura meno quando li osserveremo in antichi strati di luce, al punto da diventare invisibili meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang.

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Non è così, perché? Questo indica un altro problema della cosmologia standard come il problema del valore della famosa costante di Hubble-Lemaitre?

Per comprendere la verità della questione dobbiamo risalire all’emissione delle radiazioni fossili. Nel giro di poche migliaia di anni, la temperatura del plasma dell'universo si raffreddò abbastanza a causa della sua espansione che durante questo periodo si formarono i primi atomi di idrogeno ed elio, con i nuclei che catturarono elettroni liberi per dare atomi neutri. Questo è l'inizio di quello famoso Anni oscuri Perché ci vorranno cento milioni di anni prima che inizino ad apparire un gran numero di stelle.

La reionizzazione è avvenuta molto presto nella storia dell'universo, rendendo difficile l'osservazione diretta. Pochi minuti dopo il Big Bang, l'universo era ancora troppo caldo perché i nuclei atomici potessero catturare gli elettroni: era quindi completamente ionizzato. Successivamente, l’universo continuò ad espandersi e a raffreddarsi finché la sua temperatura non fu sufficientemente bassa da consentire agli elettroni di legarsi ai nuclei e formare i primi atomi. Questa “ricombinazione”, come viene chiamata, avvenne circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Questo momento rappresenta anche un altro evento importante nella storia dell'universo: mentre la luce viene facilmente diffusa dagli elettroni quando sono liberi, lo è molto meno quando sono legati al nucleo. Pertanto, la ricombinazione segna anche il momento in cui l’universo è diventato trasparente e in cui la luce ha potuto diffondersi liberamente al suo interno. © Plancia HFI

Queste stelle sono molto calde ed emettono radiazioni nell'ultravioletto, in particolare emissione Lyman-α. Solo che anche a quel tempo l’idrogeno neutro era ancora ampiamente presente, soprattutto intorno alle galassie giovani, e ci sarebbero voluti centinaia di milioni di anni prima che la radiazione delle stelle di queste giovani galassie, e forse anche i primi buchi neri supermassicci, accumulassero materia per riscaldarsi. su. Si irradia di conseguenza, ionizzando questo idrogeno intergalattico neutro ed è piuttosto opaco all'emissione Lyman-α. Quindi l’universo osservabile dovrebbe diventare trasparente solo lentamente durante il cosiddetto periodo di reionizzazione, che sappiamo finirà al massimo circa un miliardo di anni dopo il Big Bang.

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Le “galassie” sono costituite da diverse galassie in collisione?

Gli astrofisici ritengono di possedere ora la chiave del mistero della luminosità anomala delle giovani galassie, mentre la reionizzazione non è ancora sufficiente. Quindi, ci arriva dal telescopio spaziale James Webb e dalla sua NIRCam, uno dei suoi strumenti che monitora la luce nel vicino infrarosso ed è in grado di vedere la luce spostata verso queste frequenze per galassie distanti.

NIRCam ha analizzato immagini di galassie che mostrano che sono in realtà galassie di grandi dimensioni, ma circondate da galassie più piccole vicine che interagiscono o addirittura si scontrano.

Lo sapevate ?

L'emissione Lyman-alfa è la luce emessa ad una lunghezza d'onda di 121.567 nm quando un elettrone in un atomo di idrogeno eccitato passa da uno stato eccitato nell'orbitale n=2 al suo stato fondamentale n=1 (lo stato energetico più basso che un atomo può avere). La fisica quantistica impone che gli elettroni possano esistere solo in stati energetici molto specifici, il che significa che alcune transizioni energetiche, come quando l'elettrone di un atomo di idrogeno si sposta da un orbitale n=2 a un orbitale n=1, possono essere determinate dalla lunghezza d'onda dell'atomo di idrogeno. atomo di idrogeno, luce emessa durante questa trasformazione. L'emissione alfa di Lyman è importante in molti rami dell'astronomia, in parte a causa dell'abbondanza di idrogeno nell'universo, ma anche perché l'idrogeno è solitamente eccitato da processi energetici come la formazione energetica nel percorso delle stelle. Di conseguenza, l’emissione Lyman-α può essere utilizzata come segno di formazione stellare attiva. © Agenzia spaziale europea

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Il team dietro la pubblicazione in Astronomia della natura Sono state poi utilizzate simulazioni al computer per riprodurre i fenomeni che si verificano con queste galassie e, come spiega un comunicato stampa dell’ESA, i loro membri” Scoprì che il rapido accumulo di massa stellare dovuto alla fusione delle galassie portava a una forte emissione di idrogeno e facilitava l'uscita di questa radiazione attraverso canali vuoti di abbondante gas neutro. Pertanto, l’elevato tasso di fusione di galassie più piccole, precedentemente non osservate, ha fornito una soluzione convincente al mistero di lunga data dell’inspiegabile emissione precoce di idrogeno.

Il team prevede di proseguire le osservazioni con le galassie in diversi stadi di fusione, per sviluppare ulteriormente la loro comprensione di come le emissioni di idrogeno vengono eliminate da questi sistemi in evoluzione. In definitiva, ciò consentirà loro di migliorare la nostra comprensione dell’evoluzione delle galassie ».

Più chiaramente, collisioni ravvicinate tra diverse galassie nane e grandi galassie inizialmente circondate da un alone di idrogeno neutro hanno causato la ionizzazione di questo alone, consentendo la formazione di una bolla ionizzata trasparente di emissione alfa di idrogeno derivante dalla frenesia di formazione stellare giovane in queste galassie. galassie. Galassie.