XXL, un censimento cosmico ancora più smisurato

Una vista a varie lunghezze d'onda dell'ammasso di galassie XLSSC006 (Immagine: ESA/XMM-Newton - X-rays; CFHT - optical; XXL Survey)

XXL, il più grande censimento di ammassi di galassie mai realizzato dal telescopio XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), compie un nuovo decisivo balzo in avanti. In un numero speciale della rivista Astronomy & Astrophysics sono stati pubblicati, con venti articoli scientifici, nuovi cataloghi che contengono ben 365 ammassi di galassie e 25.000 nuclei galattici attivi (AGN): un risultato che amplia notevolmente la prima serie di dati, rilasciati a fine 2015, che presentava i cataloghi di 1.000 AGN e di 100 ammassi di galassie.

È la prima volta che un numero così cospicuo di ammassi e AGN, selezionati nella banda dei raggi X, è osservato in un volume ininterrotto di spazio fino a grande distanza. Questi dati permettono di ricostruire con ricchezza di dettagli la struttura dell'Universo su larga scala e la sua evoluzione nel tempo: informazioni fondamentali per cominciare a fornire test del modello cosmologico in cui viviamo. XXL fa insomma un passo decisivo per completare il suo obiettivo finale: vincolare i parametri cosmologici usando principalmente gli ammassi di galassie.

UN CAMPIONE OMOGENEO
I venti articoli dedicati al progetto XXL pubblicati nel numero speciale di Astronomy & Astrophysics hanno coinvolto circa cento scienziate e scienziati da tutto il mondo, tra cui numerosi dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Università di Padova e Università di Bologna. Cinque lavori in particolare sono a guida italiana.

Uno di questi coinvolge Federico Marulli, ricercatore al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna, che ha coordinato un’accurata analisi statistica delle proprietà spaziali degli ammassi di galassie XXL. Grazie a questo lavoro è stato possibile ottenere una nuova misura della densità di materia oscura dell’Universo e del parametro che descrive la relazione tra la distribuzione spaziale della materia luminosa e quella della materia oscura.

“Con questi nuovi dati siamo stati in grado di ricostruire le proprietà spaziali dell’Universo utilizzando un campione omogeneo di ammassi di galassie selezionati in X, in un ampio intervallo di distanze e masse”, spiega Federico Marulli. “La struttura a grande scala dell’Universo locale tracciata dagli ammassi di galassie XXL è risultata in ottimo accordo con le previsioni del modello cosmologico standard”.

I 365 ammassi di galassie della XXL Survey osservati ai raggi X (Immagine: ESA/XMM-Newton/XXL Survey)

ANTICHISSIMI RAGGI X
Completare il censimento degli oggetti osservati nelle 2000 ore di osservazioni previste dal programma XXL su due porzioni di cielo, ciascuna pari alla superficie apparente di 100 lune piene, ha richiesto uno sforzo coordinato dei maggiori telescopi oggi a disposizione, sia sulla Terra che nello spazio, nella banda radio, nella luce visibile e nell’infrarosso.

Quando i telescopi a raggi X osservano l'Universo extra-galattico, fondamentalmente vedono due tipi di sorgenti: il gas caldo intergalattico degli ammassi di galassie, e gli AGN, regioni luminose e compatte al centro di alcune galassie in cui un buco nero supermassiccio ingurgita la materia circostante. Tuttavia mentre è relativamente facile trovare nelle osservazioni in banda X ammassi di galassie e AGN, occorre poi utilizzare altri telescopi, che operano in altre lunghezze d'onda, per ricavare ulteriori informazioni su ogni sorgente, in particolare per chiarire la loro natura e misurarne la distanza.

Grazie ai dati della survey XXL i ricercatori hanno scoperto ammassi di galassie così lontani che i raggi X che osserviamo oggi sono stati emessi quando l'Universo aveva solo metà circa della sua età attuale, e AGN ancora più lontani.

LA RAGNATELA COSMICA
Nell'Universo, la materia non è distribuita uniformemente, ma forma una sorta di ragnatela cosmica di filamenti plasmati dalla gravità, con ammassi di galassie posizionati nei nodi della ragnatela. Gli ammassi di galassie – le più grandi strutture gravitazionalmente legate – tracciano i più alti picchi di densità nella struttura su grande scala dell'Universo e forniscono uno strumento fondamentale di indagine cosmologica. Ed è stato grazie ai dati XXL censiti in distanza che per la prima volta è stata analizzata statisticamente la distribuzione in 3D degli ammassi del catalogo XXL.

Il principale database del progetto – lo XXL Master Catalogue browser, gestito da Lucio Chiappetti – è ospitato sul sito dell’INAF-IASF di Milano: qui è possibile consultare i cataloghi, sia fotometrici che spettroscopici, di questa seconda release. Un sostanziale contributo alla messa a punto del catalogo spettroscopico utilizzato dalla collaborazione è arrivato dal lavoro di tesi di dottorato di Valentina Guglielmo, svolto in co-tutela tra l’Università di Padova, INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e LAM-Marseille.

I 365 ammassi di galassie della XXL Survey ossservati nello spettro visibile (Immagine: CFHT Legacy Survey/CTIO/XXL Survey)

GALASSIE SPENTE E BUCHI NERI
Le informazioni sulle singole galassie membri degli ammassi hanno permesso l’analisi delle loro proprietà fisiche e di confermare, come commenta Valentina Guglielmo dell'Università di Padova e del locale Osservatorio Astronomico dell’INAF, che “nell'ambiente degli ammassi aumenta significativamente la frazione di galassie spente che quindi non formano più nuove stelle”.

È più difficile invece stimare i valori per i parametri cosmologici utilizzando gli AGN, in quanto le loro proprietà sono influenzate da numerosi effetti astrofisici. Gli scienziati hanno così utilizzato i dati degli AGN di XXL per comprendere più a fondo la formazione e l’evoluzione dei buchi neri. In particolare, grazie all’identificazione congiunta delle controparti ottiche e infrarosse di tutte le radio sorgenti osservate nel campo XXL-S, è stato possibile confermare, come commenta Paolo Ciliegi di dell’Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello spazio di Bologna dell’INAF, che “la stragrande maggioranza di queste radio sorgenti, ovvero il 75 per cento, è stata identificata con Nuclei Galattici Attivi, incluse tutte le controparti di sorgenti X, mentre la restante frazione di oggetti è stata associata a galassie con formazione stellare”.

IL FUTURO: EUCLID, NUOVI DATI, NUOVE ANALISI
Questi risultati confermano che XMM-Newton è uno strumento di rilevazione assai potente e aprono la strada per l'analisi cosmologica finale di questa missione, che fornirà vincoli indipendenti ancora più accurati sui parametri cosmologici.

La ragnatela cosmica sarà ulteriormente sondata dal satellite Euclid dell'ESA, il cui lancio è previsto per il 2022 e che osserverà galassie distanti fino a 10 miliardi di anni luce. Euclid permetterà l’analisi di un numero enorme di sorgenti, rivelando sia la radiazione in banda ottica che infrarossa. Gli scienziati potranno utilizzare i dati dell’indagine XXL per verificare quali tra gli ammassi di galassie identificati da Euclid sono veri ammassi di galassie.

Gli scienziati e le scienziate che lavorano all’indagine XXL progettano inoltre di processare le osservazioni utilizzando tecniche di elaborazione sempre più avanzate. Il rilascio finale dei dati di XXL, contenente un numero ancor più alto di sorgenti di raggi X, così come l'analisi cosmologica completa, è previsto per il 2021.

I PROTAGONISTI DEL PROGETTO
I nuovi risultati del progetto XXL sono presentati in una serie di venti articoli pubblicati su Astronomy & Astrophysics. Oltre a quelli raccolti dal telescopio XMM-Newton, lo studio è basato su dati raccolti dai seguenti telescopi e strutture astronomiche: ESO - European Southern Observatory (Cile); Canada-France-Hawaii Telescope (Hawaii, USA); William Herschel Telescope a Las Palmas (Isole Canarie, Spagna); Anglo-Australian Telescope dello Siding Spring Observatory (Australia); Blanco Telescope del Cerro Tololo Inter-American Observatory (Cile); Giant Metrewave Radio Telescope a Pune (India); Australia Telescope Compact Array del Paul Wild Observatory (Australia); NASA’s Spitzer Space Telescope. Lo studio è stato realizzato inoltre grazie ai calcoli realizzati dai centri informatici di IN2P3/CNRS (Francia) e dell’Università di Ginevra (Svizzera).