Un gruppo di astronomi guidati dai colleghi del Caltech ha identificato una sorta di gigantesco disco vorticoso di gas a 10 miliardi di anni luce, una galassia cioè che si sta formando e che si sta attivamente nutrendo di gas freddo primordiale risalente al Big Bang. Grazie allo spettrografo Cosmic Web Imager (CWI), concepito e realizzato dal Caltech e installato presso l’Osservatorio Palomar, i ricercatori sono stati in grado di realizzare una serie di immagini della protogalassia trovando che essa è connessa con una struttura a filamento del mezzo intergalattico, ossia la rete cosmica fatta di gas diffuso che incrocia le galassie e che si estende in tutto l’Universo. I risultati forniscono una forte evidenza osservativa a favore del cosiddetto “cold-flow model” relativo alla formazione delle galassie, secondo cui nell’Universo delle origini il gas relativamente freddo si riversa direttamente nelle galassie accelerando i processi di formazione stellare. I risultati sono pubblicati su Nature.
Grazie allo spettrografo CWI è stato possibile studiare un sistema di due quasar situato a 10 miliardi di anni luce. Gli astronomi del Caltech hanno rivelato un gigantesco disco di gas che rappresenta una galassia in formazione, alimentata da gas freddo proveniente da un filamento della rete cosmica. Credit: Caltech Academic Media Technologies
«E’ la prima ‘pistola fumante’ che abbiamo trovato per ciò che riguarda la formazione delle galassie», spiega Christopher Martin del Caltech, investigatore principale dello strumento CWI e autore principale dello studio. «Anche se le simulazioni e il lavoro teorico hanno sempre più messo in evidenza l’importanza del modello ‘cold-flow’, finora non avevamo ottenuto delle prove osservative». Il disco protogalattico che è stato individuato dai ricercatori si estende per circa 400 mila anni luce, circa quattro volte il diametro della Via Lattea. Si trova in un sistema dominato da due quasar il più vicino dei quali, UM287, è posizionato in modo tale che la sua emissione è collimata, come quella di un faro, illuminando la struttura a filamento che sta rifornendo di gas la protogalassia.
L’anno scorso, Sebastiano Cantalupo della University of California a Santa Cruz, e ora presso l’istituto ETH di Zurigo, e colleghi pubblicarono un lavoro, sempre su Nature, dove veniva annunciata la scoperta di ciò che essi ritenevano fosse un enorme filamento in prossimità di UM287. La struttura che essi avevano osservato risultava più brillante di quanto avrebbe dovuto essere se si fosse trattato solo di un filamento. Sembrava, dunque, che ci doveva essere qualcosa d’altro. Nel Settembre del 2014, Martin e colleghi, tra cui Cantalupo, decisero di eseguire ulteriori osservazioni di questo sistema utilizzando lo spettrografo CWI. Lo strumento permise ai ricercatori di raccogliere una serie di immagini simultanee attorno a UM287 a centinaia di diverse lunghezze d’onda, ottenedo così numerosi dettagli relativi alla composizione del sistema, alla distribuzione della sua massa e alla velocità.
Successivamente, Martin e colleghi si focalizzarono su un determinato intervallo di lunghezze d’onda attorno alla riga di emissione in banda ultravioletta nota come Lyman-alfa. Questa riga, che è una sorta di “impronta digitale” dell’idrogeno atomico, viene di solito utilizzata dagli astronomi come una sorta di indicatore della presenza di materia primordiale. I ricercatori ottennero una serie di spettri che vennero combinati per formare una mappa multifrequenza di una determinata zona di cielo attorno ai due quasar. Questi dati permettono di delineare delle aree ben precise dove il gas emette la riga Lyman-alfa e indicano la velocità con cui il gas si muove rispetto al centro del sistema. “Queste immagini mostrano chiaramente che c’è un disco ruotante. Si vede che un lato si muove verso l’osservatore e l’altro si allontana. Inoltre, si nota che c’è un filamento che si estende al di là del disco”, dice Martin. I dati indicano che il disco sta ruotando ad una velocità di 400 Km/sec, un po’ più velocemente della Via Lattea.
L’immagine combina i dati in luce visibile con quelli dello spettrografo CWI. Un filamento della rete cosmica (indicato dalle linee curve) sta rifornendo di gas freddo la protogalassia (indicata dall’ellisse). La parte in rosso del disco si sta muovendo verso l’osservatore mentre la parte in blu si sta allontanando. Il gas che si propaga nel filamento si muove ad una velocità costante. Credit: Chris Martin/PCWI/Caltech
«Il filamento ha più o meno una velocità costante e sta rifornendo di gas il disco della galassia ad un ritmo ben fissato», aggiunge Matt Matuszewski uno studente di dottorato che si occupa dello strumento nel gruppo di Martin ed è co-autore dello studio. «Una volta che il gas si fonde con il disco all’interno dell’alone della materia oscura, viene attratto da tutte le parti dal gas ruotante e dalla materia oscura dell’alone». Le nuove osservazioni e misure forniscono la prima conferma diretta del cosiddetto “cold-flow model” con cui viene descritta la formazione galattica.
Questo modello, messo in discussione sin dal 2003, è in contrasto con la vecchia visione, più standard, della formazione delle galassie. Secondo il modello standard quando gli aloni di materia oscura collassano, essi attirano una grande quantità di materia ordinaria nella forma di gas, riscaldandola fino a temperature estremamente elevate. Poi, il gas si raffredda molto lentamente ma rimane un rifornimento lento e costante che è in grado di formare nuove stelle man mano che le galassie crescono. Il modello sembrava essere consistente fino al 1996 quando Chuck Steidel del Caltech scoprì una popolazione di galassie distanti, situate ad un’epoca quando l’Universo aveva un’età di 2 miliardi di anni, caratterizzate da una elevata fertilità stellare. Dunque, il modello standard non può spiegare il rifornimento necessario per queste galassie che sono in rapida formazione. Il modello “cold-flow” presenta, invece, una possibile soluzione. I teorici hanno suggerito che gas relativamente freddo, rilasciato dalle strutture a filamenti della rete cosmica, si propaghi direttamente nelle protogalassie. Qui, esso può condensare rapidamente per formare stelle. Le simulazioni mostrano, di fatto, che man mano che il gas precipita verso queste strutture acquista una enorme quantità di momento angolare, o spin, dando luogo a dischi ruotanti.
«Si tratta di una previsione diretta del modello ‘cold-flow’ ed è esattamente ciò che osserviamo, un disco esteso con un elevato momento angolare che siamo in grado di misurare», dice Martin. «La scoperta è molto interessante», dice Phil Hopkins, un astrofisico teorico del Caltech, non coinvolto nello studio. «Il fatto che una protogalassia connessa alla rete cosmica esiste e possiamo rivelarla, è alquanto eccitante. Naturalmente, ora vogliamo conoscere cosa sta facendo il gas mentre precipita nelle galassie, perciò sono certo che saranno effettuate ulteriori osservazioni». I ricercatori hanno già individuato due altri dischi similari che sembrano ricevere direttamente il gas dalle strutture a filamenti della rete cosmica.
Nature: D. Christopher Martin et al. 2015 – A giant protogalactic disk linked to the cosmic web
Caltech preprint: A giant protogalactic disk linked to the cosmic web