Nel teatro cosmico primordiale, quando l'universo aveva appena 1,4 miliardi di anni – meno del 10% della sua età attuale – un ammasso di galassie sfidava già le leggi che pensavamo governassero la formazione delle strutture cosmiche più massicce. Un team internazionale di astronomi guidato da ricercatori canadesi ha documentato l'esistenza di un ambiente sorprendentemente caldo e dinamico in un'epoca in cui, secondo i modelli consolidati, questi sistemi dovrebbero trovarsi ancora in una fase embrionale e relativamente fredda. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, costringe a riconsiderare i meccanismi attraverso cui gli ammassi di galassie – le cattedrali gravitazionali del cosmo – raggiungono la loro configurazione matura.
L'oggetto al centro dello studio è SPT2349-56, un proto-ammasso già straordinariamente evoluto situato a circa 12 miliardi di anni luce dalla Terra. Osservato attraverso l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – una rete di radiotelescopi nelle Ande cilene che include strumentazione progettata dal National Research Council of Canada – questo sistema presenta caratteristiche che contraddicono le previsioni teoriche. La sua regione centrale si estende per circa 500.000 anni luce, dimensioni paragonabili all'alone che avvolge la Via Lattea, e ospita oltre 30 galassie attive densamente concentrate che producono nuove stelle a un ritmo più di 5.000 volte superiore a quello della nostra galassia.
Il dato più sconcertante riguarda la temperatura del gas intergalattico. Utilizzando l'effetto Sunyaev-Zeldovich – un fenomeno che permette di stimare l'energia termica del medium intracluster attraverso le distorsioni che il gas caldo imprime alla radiazione cosmica di fondo – i ricercatori hanno misurato valori almeno cinque volte superiori alle previsioni. Questo gas surriscaldato, che permea lo spazio tra le galassie dell'ammasso, dovrebbe raggiungere simili temperature solo in epoche molto più tarde dell'evoluzione cosmica, quando la struttura è cresciuta e si è stabilizzata attraverso processi gravitazionali graduali.
"Non ci aspettavamo di vedere un'atmosfera così calda così presto nella storia cosmica", ha dichiarato Dazhi Zhou, dottorando presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università della British Columbia e primo autore dello studio. "Inizialmente ero scettico riguardo al segnale perché era troppo intenso per essere reale. Ma dopo mesi di verifiche, abbiamo confermato che questo gas è persino più caldo e più energetico di quello che troviamo in molti ammassi odierni". L'affermazione sottolinea come il fenomeno osservato non rappresenti semplicemente un anticipo temporale di processi noti, ma una configurazione fisica genuinamente anomala.
L'ipotesi più accreditata per spiegare questa anomalia termica chiama in causa l'attività di tre buchi neri supermassicci recentemente identificati nel cuore dell'ammasso. Secondo il dottor Scott Chapman, coautore dello studio e professore alla Dalhousie University che ha condotto la ricerca presso il NRC, questi motori gravitazionali stavano già pompando quantità enormi di energia nell'ambiente circostante molto prima e con un'intensità molto maggiore di quanto ipotizzato dai modelli standard. I buchi neri attivi al centro delle galassie, alimentandosi di materia, generano getti relativistici e intense radiazioni che riscaldano il gas circostante – un fenomeno noto come feedback da nuclei galattici attivi, considerato cruciale nell'evoluzione degli ammassi maturi ma non previsto con tale violenza in sistemi così giovani.
Le teorie attuali descrivono la formazione degli ammassi come un processo essenzialmente gravitazionale: il gas del medium intracluster si accumula lentamente e si riscalda man mano che la gravità comprime un proto-ammasso instabile verso l'interno, producendo progressivamente un ambiente stabile e caldo. Le nuove osservazioni suggeriscono invece un inizio molto più turbolento, dove il riscaldamento avviene precocemente e rapidamente attraverso processi energetici violenti. Come ha osservato Chapman, che è anche professore affiliato all'UBC, "comprendere gli ammassi di galassie è la chiave per comprendere le galassie più grandi dell'universo. Queste galassie massicce risiedono prevalentemente in ammassi, e la loro evoluzione è fortemente plasmata dall'ambiente molto intenso dei cluster in formazione, incluso il medium intracluster".
Le implicazioni teoriche sono profonde. Se il riscaldamento precoce del gas è la norma piuttosto che l'eccezione, i modelli di formazione degli ammassi devono incorporare meccanismi di feedback energetico molto più potenti e precoci di quanto finora considerato. Questo potrebbe influenzare anche la comprensione della formazione stellare primordiale, poiché il gas surriscaldato tende a sopprimere la nascita di nuove stelle – un paradosso considerando l'intensissima attività di formazione stellare osservata in SPT2349-56.
Zhou e i suoi colleghi stanno ora pianificando studi più approfonditi per decifrare come le diverse forze all'interno dell'ammasso interagiscano. "Vogliamo capire come l'intensa formazione stellare, i buchi neri attivi e questa atmosfera surriscaldata interagiscano tra loro, e cosa ci riveli su come si sono costruiti gli ammassi di galassie attuali", ha spiegato il ricercatore.
