COSMOS-z3.1-A mostra come l’universo ha costruito i suoi sistemi di galassie più grandi

COSMOS-z3.1-A è una finestra eccezionale su un proto-superammasso: il progenitore di un futuro “ammasso di ammassi” di galassie, osservato quando l’universo aveva soltanto circa 2,1 miliardi di anni. Gli astronomi stimano che la struttura contenga già una massa pari a circa 5.000 volte quella della Via Lattea e che possa evolvere in un sistema più massiccio dell’ammasso della Chioma, uno dei più grandi ammassi dell’universo vicino. È importante distinguere tra osservazione e previsione: la massa finale è una stima ricavata dalla sovradensità misurata e dai modelli di crescita delle strutture, non una misura diretta del suo futuro. 15

Una struttura rarissima, ancora in costruzione

Il gruppo internazionale ha identificato COSMOS-z3.1-A come il più lontano progenitore noto di un superammasso di galassie. Non si tratta quindi solo di un protoammasso — già un oggetto raro — ma di un complesso su scala maggiore, destinato a diventare un insieme di grandi ammassi. 7

L’immagine che emerge non è quella di un ammasso compatto e rilassato. COSMOS-z3.1-A appare invece frammentato, con più nuclei densi immersi in una regione estremamente sovradensa. Estensioni simili a filamenti sembrano connettere e alimentare questi nuclei: sono i filamenti della rete cosmica, l’impalcatura su larga scala lungo cui si distribuiscono galassie e materia. 14

Le stime sulle masse delle strutture discendenti indicano che COSMOS-z3.1-A e COSMOS-z3.1-C potrebbero superare, all’epoca attuale dell’universo — cioè a redshift zero — la massa dell’ammasso della Chioma. Lo studio riporta per questi sistemi estremi masse finali stimate di almeno (10^{15,3}) masse solari. 1

Da una macchia nel cielo a una mappa tridimensionale

La scoperta è partita dal programma ODIN, che cerca protoammassi ad alto redshift usando come traccianti le galassie che emettono la riga Lyman-alfa. Nel campo COSMOS, ODIN ha usato immagini a banda stretta ottenute con la Dark Energy Camera (DECam) per individuare concentrazioni di galassie a redshift 3,1. 335

Ma una concentrazione apparente sul piano del cielo non basta a dimostrare che le galassie siano davvero vicine nello spazio. Per questo il team ha aggiunto osservazioni spettroscopiche ottenute con il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), con GMOS del Gemini South e con DEIMOS del Keck II. Le misure di redshift hanno permesso di ricostruire la distribuzione tridimensionale delle galassie, distinguendo i nuclei densi dal loro ambiente più esteso. 135

Lo stesso metodo ha reso visibili i filamenti attraverso la distribuzione delle galassie che li tracciano. Il risultato, dunque, non è un semplice catalogo di galassie lontane, ma una mappa di un ambiente cosmico in piena formazione. 1

Perché conferma la crescita gerarchica dell’universo

Nel quadro cosmologico moderno, le strutture crescono in modo gerarchico: prima si formano concentrazioni più piccole di materia, poi queste si fondono e attraggono altro materiale, dando origine a sistemi sempre più grandi. COSMOS-z3.1-A è coerente con questa visione perché comprende più componenti in sviluppo, inserite in una rete di filamenti, invece di un unico ammasso già maturo. 17

La sua posizione apparente presso i nodi d’intersezione della rete cosmica è particolarmente significativa. I filamenti possono convogliare galassie e materia verso le regioni più dense, favorendo nel tempo la crescita delle diverse componenti in un sistema molto più massiccio. L’osservazione offre quindi un esempio insolitamente precoce della fase intermedia fra protoammassi più piccoli e i maggiori sistemi di ammassi osservati nell’universo vicino. 14

Il legame — indiretto — con le «stelle nascoste» viste da JWST

COSMOS-z3.1-A riguarda la crescita degli ambienti su grande scala: regioni ricche di materia oscura, gruppi di galassie, filamenti e protoammassi. Un risultato separato del James Webb Space Telescope (JWST) riguarda invece le popolazioni stellari all’interno delle singole galassie dell’universo antico.

In quello studio, l’analisi di nove galassie massive dell’universo primordiale ha trovato indizi di un numero molto maggiore del previsto di stelle deboli e di piccola massa. Poiché tali stelle aggiungono massa ma emettono poca luce, alcune stime della massa stellare potrebbero aumentare di un fattore tra tre e quattro; nel caso più estremo riportato, l’aumento si avvicina a quattro. 192027

Le due scoperte sono complementari, ma nessuna spiega completamente l’altra. Un proto-superammasso alimentato dai filamenti fornisce un contesto plausibile per un rapido assemblaggio delle galassie; una popolazione stellare ricca di astri poco massicci cambia invece la quantità di massa stellare che può restare poco visibile nelle singole galassie. Spiegare insieme la rapida crescita degli ambienti più densi e la composizione dettagliata delle loro stelle resta una sfida centrale per i modelli dell’universo primordiale. 11722

Le prossime mappe del cielo profondo

Il Vera C. Rubin Observatory ha avviato il Legacy Survey of Space and Time (LSST), e la prima pubblicazione di dati scientifici della fotocamera LSST ha incluso osservazioni profonde del campo COSMOS. 3336

Immagini profonde e su aree molto ampie, come quelle di Rubin, potranno aiutare a individuare altri candidati a sovradensità ad alto redshift. La spettroscopia resterà però indispensabile: fornisce i redshift precisi necessari per distinguere un vero proto-superammasso tridimensionale da galassie che, in una sola immagine bidimensionale, sembrano semplicemente vicine. Il caso di COSMOS-z3.1-A mostra quanto sia efficace combinare grandi survey fotografiche con osservazioni spettroscopiche estese e mirate. 13