Credit: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru

Introduzione

Le galassie massicce erano già molto più mature nell’universo primitivo di quanto ci si aspettasse. Questo è stato dimostrato da un team internazionale di astronomi – tra cui ricercatori dell’Istituto Kavli di Fisica e Matematica dell’Universo (Kavli IPMU) e dell’Istituto Kavli di Cosmologia (KICC) – che hanno studiato 118 galassie lontane con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

ALPINE: Studiare la storia delle galassie

La maggior parte delle galassie si è formata quando l’universo era ancora molto giovane. La nostra stessa galassia, ad esempio, ha probabilmente iniziato a formarsi 13,6 miliardi di anni fa, nel nostro universo di 13,8 miliardi di anni. Quando l’universo era solo il 10% della sua età attuale (1-1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang), la maggior parte delle galassie ha avuto un “impulso di crescita“. Durante questo periodo, hanno accumulato la maggior parte della loro massa stellare e di altre proprietà, come la polvere, il contenuto di elementi pesanti e le forme a disco a spirale, che vediamo nelle galassie di oggi. Pertanto, se vogliamo imparare come si sono formate galassie come la nostra Via Lattea, è importante studiare quest’epoca.

In un’indagine chiamata ALPINE (ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times), un team internazionale di astronomi ha studiato 118 galassie che stavano vivendo un tale “slancio di crescita” nell’universo primitivo. “Con nostra grande sorpresa, molte di esse erano molto più mature di quanto ci aspettassimo“, ha dichiarato Andreas Faisst dell’Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) del California Institute of Technology (Caltech).

Polvere di stelle…che non dovrebbe esserci

Le galassie sono considerate più “mature” che “primordiali” quando contengono una quantità significativa di polvere ed elementi pesanti. “Non ci aspettavamo di vedere così tanta polvere ed elementi pesanti in queste galassie lontane“, ha detto Faisst. La polvere e gli elementi pesanti (definiti dagli astronomi come tutti gli elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio) sono considerati un sottoprodotto delle stelle morenti. Ma le galassie del primo universo non hanno ancora avuto molto tempo per formare stelle, quindi gli astronomi non si aspettano di vedervi molta polvere o elementi pesanti.

Da studi precedenti abbiamo capito che queste giovani galassie sono povere di polvere“, ha detto Daniel Schaerer dell’Università di Ginevra in Svizzera. “Tuttavia, troviamo che circa il 20% delle galassie che si sono formate in questa prima epoca sono già ricche di queste polveri e una parte significativa della luce ultravioletta delle stelle neonate è già nascosta da queste“, ha aggiunto.

Diversità nelle strutture

Credit: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ALPINE team

Molte delle galassie sono state considerate relativamente adulte anche perché hanno mostrato una diversità nelle loro strutture, compresi i primi segni di dischi supportati dalla rotazione – che possono poi portare a galassie con una struttura a spirale, come si osserva in galassie come la nostra Via Lattea. Gli astronomi in genere si aspettano che le galassie del primo universo sembrino dei relitti di treni perché spesso si scontrano.

Vediamo molte galassie che si scontrano, ma ne vediamo anche alcune che ruotano in modo ordinato“, ha detto John Silverman della Kavli IPMU in Giappone. Gareth Jones, un membro della collaborazione ALPINE del KICC presso l’Università di Cambridge, ha aggiunto: “Queste rilevazioni sono possibili solo grazie alle grandi dimensioni del campione di ALPINE. Per ogni galassia che sembra ruotare, troviamo tre sistemi in collisione“.

ALMA ha già individuato galassie molto lontane, come MAMBO-9 (una galassia molto polverosa) e il disco di Wolfe (una galassia con un disco rotante). Ma era difficile dire se queste scoperte fossero uniche, o se ci fossero più galassie come queste là fuori. ALPINE è la prima indagine che ha permesso agli astronomi di studiare un numero significativo di galassie nel primo universo, e mostra che potrebbero evolvere più velocemente del previsto. Ma gli scienziati non hanno ancora capito come queste galassie siano cresciute così velocemente e perché alcune di esse abbiano già dischi rotanti.

Le Hubble-dark

Le osservazioni di ALMA sono state cruciali per questa ricerca perché il radiotelescopio può vedere la formazione della stella nascosta dalla polvere e tracciare il moto dei gas emessi dalle regioni che formano le stelle. Le indagini delle galassie del primo universo utilizzano comunemente telescopi ottici e infrarossi. Questi permettono di misurare la formazione stellare non nascosta e le masse stellari. Tuttavia, questi telescopi hanno difficoltà a misurare le regioni oscurate dalla polvere, dove si formano le stelle, o i moti dei gas in queste galassie. E a volte non vedono affatto una galassia. “Con ALMA abbiamo scoperto per la prima volta alcune galassie lontane. Le chiamiamo Hubble-dark, perché non potevano essere rilevate nemmeno con il telescopio Hubble“, ha detto Lin Yan della Caltech.

La ricerca continua

Per saperne di più sulle galassie lontane, gli astronomi vogliono puntare ALMA su singole galassie per un tempo più lungo. “Vogliamo vedere esattamente dove si trova la polvere e come si muove il gas. Vogliamo anche confrontare le galassie polverose con altre alla stessa distanza e capire se ci può essere qualcosa di speciale nel loro ambiente“, ha aggiunto Paolo Cassata dell’Università di Padova in Italia, già presso l’Universidad de Valparaíso in Cile.

ALPINE è il primo e più grande rilevamento a più lunghezze d’onda delle galassie dell’universo primitivo. Per un vasto campione di galassie, il team ha raccolto misurazioni in campo ottico (tra cui Subaru, VISTA, Hubble, Keck e VLT), infrarosso (Spitzer) e radio (ALMA). Sono necessari studi a più lunghezze d’onda per avere un quadro completo di come si costruiscono le galassie. “Un’indagine così ampia e complessa è possibile solo grazie alla collaborazione tra più istituti in tutto il mondo“, ha dichiarato Matthieu Béthermin del Laboratoire d’Astrophysique de Marseille in Francia.

VIDEO

Credits

L’Osservatorio Nazionale di Radio Astronomia è una struttura della Fondazione Nazionale della Scienza, gestita in collaborazione con le Università Associate, Inc.

Parlando del ruolo svolto dall’IPMU Kavli e dal KICC nei risultati di ALPINE, il Dr. Chris Martin, direttore delle scienze fisiche della Fondazione Kavli, ha detto: “L’astrofisica dimostra l’enorme potere delle collaborazioni internazionali nel far progredire la conoscenza scientifica. È un piacere vedere gli scienziati degli Istituti Kavli del Regno Unito e del Giappone collaborare così strettamente in questo sforzo globale”.