Introduzione

A miliardi di anni luce di distanza, gigantesche nuvole di idrogeno gassoso producono un tipo speciale di radiazione, un tipo di luce ultravioletta nota come emissioni di Lyman-alfa. Le enormi nuvole che emettono questa luce sono chiazze di Lyman-alpha (LAB). I LAB sono molte volte più grandi della nostra galassia, la Via Lattea, eppure sono stati scoperti solo 20 anni fa. È necessaria una fonte di energia estremamente potente per produrre questa radiazione – si pensi all’equivalente di energia prodotta in miliardi di nostri raggi solari – ma gli scienziati discutono su quale potrebbe essere quella fonte di energia.

Un nuovo studio pubblicato il 9 marzo su Nature Astronomy fornisce la prova che la fonte di energia è al centro delle galassie che formano le stelle, attorno alle quali esistono i LAB.

Lyman-alpha blob 6

Lo studio si concentra sul Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) situato a più di 18 miliardi di anni luce di distanza nella direzione della costellazione Grus. Il team di ricerca ha scoperto una caratteristica unica di LAB-6: il suo gas di idrogeno sembrava cadere su se stesso. LAB-6 è il primo LAB con una forte evidenza di questa cosiddetta infalling gas signature. Questo aveva una posizone tale da indurre gli scienziati a ritenere che avesse origine nello spazio intergalattico, piuttosto che dalla stessa galassia.

La quantità di gas in caduta libera è troppo bassa per alimentare l’emissione di Lyman-alfa osservata. I risultati forniscono prove del fatto che la galassia a forma di stella centrale è la principale fonte di energia responsabile dell’emissione di Lyman-alfa. Questi risultati pongono anche nuove domande sulla struttura dei LAB.

Questo è un mistero. Prevediamo che dovrebbero esserci gas in sospensione attorno alle galassie che formano stelle: hanno bisogno di gas per i materiali “, ha detto Zheng Zheng, professore associato di fisica e astronomia all’Università dello Utah e coautore dello studio. Zheng si è unito al team per analizzare i dati e ha guidato l’interpretazione teorica con Shiyu Nie. “Ma questo sembra essere l’unico blob Lyman-alfa con gas in sospensione. Perché è così raro?

Gli autori hanno utilizzato il Very Large Telescope (VLT) presso l’Osservatorio europeo meridionale (ESO) e l’Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) per ottenere i dati. L’autore principale Yiping Ao dell’Osservatorio Purple Mountain, l’Accademia Cinese delle Scienze ha osservato per la prima volta il sistema LAB-6 più di dieci anni fa. Sapeva già allora che c’era qualcosa di speciale nel sistema; ha colto l’occasione per guardare più da vicino.

Fortunatamente, siamo stati in grado di ottenere da ALMA i dati necessari per catturarne la composizione molecolare, abbassando la velocità della galassia“, ha detto. “Il telescopio ottico VLT di ESO ci ha fornito l’importante profilo di luce spettrale dell’emissione di Lyman-alpha“.

La luce dell’idrogeno rivela il suo segreto

L’universo è pieno di idrogeno. L’elettrone dell’idrogeno orbita attorno al nucleo dell’atomo a diversi livelli di energia. Quando un atomo di idrogeno neutro viene fatto esplodere di energia, l’elettrone può essere potenziato su un’orbita più grande con un livello di energia più elevato. Quindi l’elettrone può saltare da un livello di orbita a un altro, producendo un fotone. Quando l’elettrone si sposta nell’orbita più interna dall’orbita direttamente adiacente, emette un fotone con una particolare lunghezza d’onda nello spettro ultravioletto, chiamato emissione Lyman-alfa. È necessaria una potente fonte di energia per energizzare l’idrogeno abbastanza da produrre l’emissione di Lyman-alfa.

Un’emissione Lyman-alpha è qui rappresentata come linea Lyman-alpha. Quando il gas fuoriesce, l’emissione di Lyman-alpha si sposta sulla lunghezza d’onda più lunga e rossa. L’opposto si verifica quando il gas sta affluendo: la lunghezza d’onda dell’emissione Lyman-alfa sembra accorciarsi, spostandola in uno spettro più blu. Credits: Zheng Zheng

L’universo è pieno di idrogeno. L’elettrone dell’idrogeno orbita attorno al nucleo dell’atomo a diversi livelli di energia. Quando un atomo di idrogeno neutro viene fatto esplodere di energia, l’elettrone può essere potenziato su un’orbita più grande con un livello di energia più elevato. Quindi l’elettrone può saltare da un livello di orbita a un altro, producendo un fotone.

Quando l’elettrone si sposta nell’orbita più interna dall’orbita direttamente adiacente, emette un fotone con una particolare lunghezza d’onda nello spettro ultravioletto, chiamato emissione Lyman-alfa. È necessaria una potente fonte di energia per energizzare l’idrogeno abbastanza da produrre l’emissione Lyman-alfa.

Gli autori hanno scoperto la caratteristica del gas in caduta analizzando la cinematica delle emissioni di Lyman-alpha. Dopo che il fotone Lyman-alpha è stato emesso, incontra un ambiente pieno di atomi di idrogeno. Si schianta contro questi atomi molte volte, come una palla che si muove in un flipper, prima di fuggire dall’ambiente. Questa uscita fa estendere l’emissione verso l’esterno su grandi distanze.

Tutto ciò che rimbalza non solo cambia la direzione dell’onda luminosa, ma anche la sua frequenza, poiché il movimento del gas provoca un effetto Doppler. Quando il gas fuoriesce, l’emissione di Lyman-alpha si sposta sulla lunghezza d’onda più lunga e rossa. L’opposto si verifica quando il gas sta affluendo: la lunghezza d’onda dell’emissione Lyman-alfa sembra accorciarsi, spostandola in uno spettro più blu.

Gli autori di questo articolo hanno usato l’osservazione con l’ALMA per localizzare la lunghezza d’onda prevista dell’emissione di Lyman-alfa dalla prospettiva della Terra e verificare se non ci fosse alcun effetto di rimbalzo per i fotoni Lyman-alfa. Con l’osservazione VLT, hanno scoperto che l’emissione di Lyman-alpha da questo blob si sposta su una lunghezza d’onda più lunga, implicando l’afflusso di gas. Hanno usato modelli per analizzare i dati dello spettro e studiare la cinematica dell’idrogeno gassoso.

Il gas in caduta si restringe verso l’origine della radiazione di Lyman-alfa

I LAB sono associati a gigantesche galassie che formano stelle a un ritmo compreso tra centinaia e migliaia di masse solari all’anno. Gli aloni giganti delle emissioni di Lyman-alpha circondano queste galassie, formando le macchie di gas Lyman-alpha lunghe centinaia di migliaia di anni luce, con una potenza equivalente a circa 10 miliardi di soli. Il movimento all’interno delle macchie di gas può dirti qualcosa sullo stato della galassia.

Il gas in caduta può avvenire in diversi modi. Potrebbe essere il secondo stadio di una fontana galattica – se muoiono stelle enormi, esplodono e spingono il gas verso l’esterno, che successivamente cade verso l’interno. Un’altra opzione è una corrente fredda: ci sono filamenti di idrogeno che fluttuano tra gli oggetti celesti che possono essere trascinati al centro del potenziale pozzo, creando la caratteristica di gas in caduta.

Il modello che gli autori suggeriscono prevede che il gas in caduta libera in questo LAB proviene da quest’ultimo scenario. Hanno analizzato la forma del profilo di luce Lyman-alpha, che indica pochissima polvere metallica. In astronomia, i metalli sono qualcosa di più pesante dell’elio. Le stelle producono tutti gli elementi pesanti nell’universo: quando esplodono, producono elementi metallici e li diffondono nello spazio intergalattico.

Immagine a tre colori del cielo attorno a Lyman-alpha blob 6 (LAB-6). In verde l’emissione Lyman-alpha da LAB-6. LAB-6 dista 18,5 miliardi di anni luce da noi nella direzione della costellazione Grus, con un’estensione di circa mezzo milione di anni luce. La dimensione fisica della scatola gialla è di 3,26 milioni di anni luce. La maggior parte delle galassie viste in questa immagine sono galassie in primo piano. (Blu: banda VLT / Hawk-I J a 1.258 micron; Rosso: banda VLT / Hawk-I Ks a 2.146 micron; Verde: emissione Lyman-alpha a 0.411 micron con il telescopio Blanco 4m al Cerro Tololo Inter-American Observatory). Credits image: Yiping Ao / VLT / Hawk-I / Blanco

Se il gas provenisse da questa galassia, dovresti vedere più metalli. Ma non c’erano molti metalli“, ha detto Zheng. “L’indicazione è che il gas non è contaminato da elementi di questa formazione stellare“.

Inoltre, il loro modello indica che il gas circostante produce solo l’energia equivalente di due masse solari all’anno, troppo bassa per la quantità per l’emissione di Lyman-alfa osservata.

I risultati forniscono una forte evidenza del fatto che la galassia a forma di stella è il principale contributo dell’emissione Lyman-alfa, mentre il gas in caduta agisce per modellare il suo profilo spettrale. Tuttavia, non risponde completamente alla domanda.

Potrebbero esserci ancora altre possibilità“, ha detto Ao. “Se la galassia ha un buco nero super massiccio al centro, può emettere fotoni energetici che potrebbero viaggiare abbastanza lontano da produrre l’emissione“.

In futuro, gli autori vogliono prendere in giro le complicate dinamiche del gas per capire perché l’influenza del gas è rara per i LAB. Il gas in entrata potrebbe dipendere dall’orientamento del sistema, ad esempio. Vogliono anche costruire modelli più realistici per comprendere i movimenti dei fotoni di emissione di Lyman-alpha mentre si schiantano contro gli atomi.

Yiping Ao è anche affiliato con l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina. Altri autori: Shiyu Nie dell’Università dello Utah; Christian Henkel di MPIfR e King Abdulaziz University; Alexandre Beelen dell’Institut d ‘Astrophysique Spatiale, Renyue Cen della Princeton University; Mark Dijkstra dell’Università di Oslo; Paul J. Francis della Australian National University; James E. Geach dell’Università dell’Hertfordshire; Kotaro Kohno dell’Università di Tokyo; Matthew D. Lehnert della Sorbonne Université; Karl M. Menten e Axel Weiss di MPIfR; e Junzhi Wang dell’Osservatorio astronomico di Shanghai.

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