La formazione stellare nelle galassie primordiali

Utilizzando il telescopio APEX, un gruppo di astronomi ha scoperto il legame finora più forte tra le esplosioni di formazione stellare nei primordi dell’Universo e le galassie più massicce dei giorni nostri. Le galassie, che all’inizio dell Universo producevano incredibili quantità di stelle, hanno visto la nascita di nuove stelle scemare improvvisamente divenendo così galassie massicce – ma passive – con le stelle che sono a mano a mano invecchiate fino ai giorni nostri. Gli astronomi pensano anche di aver individuato un possibile colpevole per la fine improvvisa della produzione stellare: l’emergere dei buchi neri supermassicci.
Gli astronomi hanno combinato le osservazioni della camera LABOCA sul telesocopio APEX (Atacama Pathfinder Experiment) di 12 metri operato dall’ESO con misure effettuate dal VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, dal telescopio spaziale Spitzer della NASA e da altri strumenti per scoprire come galassie brillanti e lontane si riuniscano in gruppi o ammassi.
Più le galassie sono vicine tra loro (“clustering” in inglese) e maggiore è la massa degli aloni di materia oscura – quella materia invisibile che rappresenta la gran parte della massa di una galassia – che le ospitano. I nuovi risultati sono le misure più accurate del “clustering” mai eseguite per questo tipo di galassie.
Le galassie sono così distanti che la loro luce ha impiegato circa 10 miliardi di anni a raggiungerci e perciò ci appiano com’erano circa 10 miliardi di anni fa (Queste galassie lontane sono note come galassie sub millimetriche. Sono galassie dell’Universo primordiale, molto brillanti, in cui sta avvenendo una intensa formazione stellare. A causa dell’estrema distanza, la luce infrarossa prodotta dai grani di polvere scaldati dalla radiazione stellare viene spostata verso il rosso, a lunghezze d’onda maggiori e perciò le galassie con polvere sono osservate più agevolmente nella banda di lunghezza d’onda sub millimetrica). In queste istantanee dell’Universo primordiale le galassie sperimentano la più intensa fase di formazione stellare nota, che va sotto il nome di “starburst” o esplosione stellare.
Misurando la massa degli aloni di materia oscura intorno alle galassie e usando simulazioni numeriche per studiarne la crescita nel tempo, gli astronomi hanno scoperto che queste lontane galassie “starburst” dei primordi sono alla fine diventate galassie ellittiche giganti, le galassie più massicce dell’Universo odierno.
“Questa è la prima volta in cui siamo in grado di mostrare chiaramente questo legame tra le galassie con la più energetica formazione stellare nel primo Universo e le galassie massicce dei nostri giorni”, spiega Ryan Hickox (Dartmouth College, USA e Durham University, UK), lo scienziato a capo dell’equipe.
Inoltre le nuove osservazioni indicano che la fase di formazione stellare più intensa in queste galassie lontane dura appena 100 milioni di anni — un tempo molto breve in termini cosmologici — eppure in questo breve arco di tempo esse riescono a raddoppiare la quantità di stelle. La fine improvvisa di questa rapida crescita costituisce un altro episodio della stoira delle galassie non ancora chiaro agli astronomi.
“Sappiamo che le galassie ellittiche massicce hanno smesso di produrre stelle in modo abbastanza improvviso molto tempo fa e ora mostrano solo un’evoluzione passiva. Gli scienziati si chiedono cosa sia sufficientemente potente da spegnere la formazione stellare in un’intera galassia”, dice Julie Wardlow (University of California at Irvine, USA e Durham University, UK), un’altra componente dell’equipe.
I risultati di questa equipe forniscono una possibile spiegazione: in quel momento della storia del cosmo, le galassie “starburst” erano raggruppate in modo molto simile ai quasar, mostrando che le une abitavano lo stesso tipo di aloni di materia oscura degli altri. I quasar sono tra gli oggetti più potenti dell’Universo — fari galattici che emettono radiazione molto intensa alimentata da un buco nero supermassiccio al centro.
Le prove si accumulano a suggerire che la formazione stellare intensa finisca anche con l’alimentare i quasar fornendo enormi quantità di materia come carburante per il buco nero. Il quasar a sua volta emette poderosi fasci di energia che potrebbero spazzare via il gas residuo nella galassia — la materia prima per le nuove stelle — e questo pone efficacemente termine alla fase di formazione stellare.
“In breve, i giorni di gloria di intensa formazione stellare delle galassie segnano anche la loro fine, alimentando il gigantesco buco nero al loro centro, che rapidamente poi spazza via o distrugge le nubi in cui si formano le stelle”, spiega David Alexander (Durham University, UK), un membro dell’equipe.
APEX
Il telescopio APEX da 12 metri di diametro si trova sulla piana di Chajnantor, sulle Ande cilene. APEX è un precursore di ALMA, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, un nuovo telescopio rivoluzionario, sempre sulla piana di Chajnantor, che l’ESO, insieme ai suoi partner internazionali, sta costruendo e gestirà. APEX è costituito da una singola antenna, prototipo di quelle di ALMA. I due telescopi sono tra loro complementari: ad esempio APEX può individuare in ampie zone di cielo molte sorgenti che ALMA potrà poi studiare in dettaglio. APEX è una collaborazione tra il Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), l’Onsala Space Observatory (OSO) e l’ESO.
Fonte: ESO

Uno studio sulle galassie primordiali

Da tigri voraci a mucche al pascolo: di certo le galassie non fanno una bella figura in questo passaggio di metafora, ma recenti studi basati sui dati di Spitzer sembrano avvalorare questa nuova visione. Gli astronomi hanno scoperto che le galassie del primo universo, quelle più distanti, hanno consumato in maniera continua e molto duratura il proprio carburante di formazione stellare, e non attraverso repentini scatti seguiti ad incontri con altre galassie.
‘I nostri studi mostrano che la fusione di galassie massicce non è un metodo dominante di crescita galattica nell’universo distante’ dice Ranga-Ram Chary della NASA, addetto ai dati di Spitzer al California Institute of Technology a Pasadena, California. ‘Stiamo trovando questo tipo di cannibalismo galattico molto raramente. invece, sembra evidente un meccanismo di crescita galattica nel quale una tipica galassia si alimenta attraverso flussi di gas, formando stelle ad un tasso più veloce di quanto precedentemente pensato’. Chary è il principale autore della ricerca che apparirà sull’uscita del primo agosto di Astrophysical Journal. Secondo le scoperte, queste galassie si nutrono nel giro di centinaia di milioni di anni e creano un insolito ammontare di stelle paffute, con masse fino a 100 masse solari. ‘E’ la prima volta che riusciamo ad identificare queste galassie che riescono a sovradimensionarsi pascolando’ dice Hyunjin Shim, anche lui collega di Chary. ‘Hanno stelle molto più massicce rispetto alle stelle della nostra Galassia’. Le galassie come la Via Lattea sono giganti insiemi di stelle, gas e polvere. Crescono in dimensione alimentandosi di gas e tramutandolo in nuove stelle. Una lunga questione in astronomia: da dove prendevano tutto questo gas le galassie dell’universo primordiale? La teoria più soddisfacente vedeva le galassie alimentarsi tramite fusione con altre galassie, unendo i propri gas durante le collisioni.
Chary ed il suo teem ha indirizzato la questione al telescopio Spitzer per studiare più di 70 galassie distanti, risalenti ad una età compresa tra 1 e 2 miliardi di anni dopo il Big Bang. Con sorpresa, queste galassie mostrano una estrema radiazione in H alfa, che è la radiazione dell’idrogeno colpito dalla luce ultravioletta delle stelle. Alti livelli di H alfa indicano formazione stellare molto vigorosa. Il 70% delle galassie studiate mostra queste emissioni, mentre nel vicino universo soltanto lo 0,1% delle galassie è in possesso di questa firma. Precedenti studi hanno trovato valori sei volte inferiori a quelli di Spitzer, che guarda nella luce infrarossa. Gli scienziati pensano che ciò potrebbe essere dovuto a grandi quantità di polveri opache, che bloccano la luce ultravioletta studiata in precedenza. Spitzer ha aperto una nuova finestra nelle galassie.
Queste galassie remote formano stelle in maniera furiosa, fino a 100 volte più veloce rispetto ai correnti tassi di formazione della nostra Galassia. In più, questa formazione avviene su lunghissimi periodi di tempo, centinaia di milioni di anni. Le galassie, quindi, non crescono grazie a fusioni o collisioni, che avvengono su scale cosmiche brevi. Il nuovo studio mostra che questi fenomeni di fusione sono comuni nel vicino universo, ma non lo erano prima e non sono la causa principale della crescita galattica. Invece, le galassie distanti si rafforzano tramite flussi di gas in entrata, strappati probabilmente da filamenti di materia oscura. Se abitassimo su un pianeta di queste galassie, vedremmo un cielo molto ricco di stelle brillanti e teatro di frequentissime supernovae.
Fonte: NASA JPL (Skylive)

Buchi neri supermassivi, stellari e anche intermedi

I super buchi neri frutto della collisione di galassie primordiali. È quanto illustrato da un team internazionale guidato da Lucio Mayer, professore di astrofisica teorica all’ Università di Zurigo (con un dottorato di ricerca ottenuto presso l’Università di Milano-Bicocca nel 2001) in un articolo su Nature di questa settimana. Mayer, con l’ausilio di simulazioni su potenti super computer, ha potuto mostrare per la prima volta che i buchi neri supermassivi si sono formati dopo il Big Bang per effetto, appunto, di collisioni tra galassie primordiali. Il risultato ha importanti implicazioni per la nostra comprensione di come funziona la gravità, per la formazione delle strutture cosmiche in genere cosi come per la comprensione delle onde gravitazionali e risolve uno dei problemi più spinosi nello studio dell’Universo. I primi buchi neri supermassivi si sono formati circa 13 miliardi di anni fa, quindi poco dopo il Big Bang. Questo nuovo risultato segna un’importante svolta nella comprensione dell’Universo. Allo stato attuale delle nostre conoscenze l’età dell’Universo è di poco meno di 14 miliardi di anni. Vari gruppi di ricerca internazionali hanno mostrato recentemente come le galassie massive si siano formate prima di quanto ci si aspettasse in base alle previsioni teoriche, cioè già entro il primo miliardo di anni di vita dell’Universo e le simulazioni sui super computer di Mayer e colleghi hanno mostrato che i primi buchi neri supermassivi si sono formati per effetto delle collisioni di queste prime galassie massive e della loro successiva fusione.
“Il nostro risultato – spiega Mayer – mostra come le strutture grandi come galassie massive e buchi neri supermassivi si siano formati presto nella storia dell’Universo. A prima vista questo sembrerebbe in contrasto con la teoria cosmologica prevalente, che prevede la formazione di strutture e galassie in modo gerarchico in un Universo dominato da materia oscura fredda”. L’apparente paradosso è chiarito subito da Lucio Mayer: “La materia ordinaria, così detta barionica, di cui noi stessi e la materia luminosa dell’Universo siamo fatti, incluse le componenti visibile delle galassie, collassa di più e più velocemente della materia oscura, formando rapidamente galassie molto massive nelle regioni più dense dell’Universo, in cui la gravità comincia prima a generare strutture. Questo produce l’apparente formazione non-gerarchica delle galassie massive e dei buchi neri supermassivi”. Le più grosse galassie e i buchi neri supermassivi crescono rapidamente. Invece, galassie di media e piccola taglia, come la nostra Via Lattea e il suo relativamente modesto buco nero centrale (solo un milione di masse solari contro 1 miliardo di masse solari dei buchi neri simulati da Mayer e colleghi), si sono formate più lentamente.
Come spiega Lucio Mayer, nell’Universo attuale i discendenti delle galassie riprodotte nelle sue simulazioni corrispondono alle più grosse galassie conosciute, centinaia di volte più pesanti e luminose della Via Lattea. Un esempio è quello di M87, la gigantesca galassie ellittica centrale dell’ammasso di galassie della Vergine, a 54 milioni di anni luce da noi. La nuova scoperta ha importanti conseguenze per la cosmologia; l’assunzione che la correlazione osservata dagli astronomi tra la masse dei buchi neri supermassivi e la massa delle galassie in cui si trovano rispecchia il fatto che galassie e buchi neri supermassivi crescono in parallelo, regolando l’una la crescita dell’altro, dovrà essere rivista. In base al nuovo modello la crescita del buco nero supermassivo non è regolata da quella della galassia. Piuttosto sarebbe la crescita della galassia a essere regolata dal buco nero centrale. Mayer e i suoi colleghi pensano anche che la loro ricerca sarà utile anche per quei fisici che vogliono provare l’esistenza delle onde gravitazionali e con esse verificare direttamente la Teoria della Relatività Generale di Einstein. Una delle conseguenze di tale teoria, elaborata da Einstein, che ottenne il dottorato di ricerca nel 1906 proprio all’Università di Zurigo, è che la fusione di buchi supermassivi dovrebbe produrre le onde gravitazionali più intense nel continuum spazio-temporale, le quali oggi potrebbero essere misurate. Infatti i progetti LISA e LISA Pathfinder dell’Agenzia Spaziale Europea e della NASA, in cui sono coinvolti anche fisici dell’Università di Zurigo, hanno proprio l’obiettivo di rivelare tali onde gravitazionali. Per interpretare correttamente i risultati di questi futuri esperimenti un elemento cruciale è proprio la comprensione di come si formano tali buchi neri supermassivi agli albori dell’Universo.
FONTE INAF
I buchi neri
I buchi neri sono concentrazioni di massa tanto enormi che le forze gravitazionali sono così intense da non lasciar sfuggire né la materia né le radiazioni come la luce. Un buco nero è perciò invisibile: viene individuato soltanto osservando ciò che accade alla materia circostante. In quelli finora rilevati, dischi di gas e polveri ruotano intorno al buco stesso: quando la materia vi cade sono emesse radiazioni di grande energia (per esempio raggi X) o getti di materia con velocità e temperature elevatissime.
Si distinguono al momento due tipi di buchi neri: quelli supermassivi e quelli stellari. I primi hanno masse pari a miliardi di masse solari e si formano al centro di molte galassie. I buchi neri stellari si formano per il collasso gravitazionale che segue l’esplosione di supernova delle stelle super giganti e possono essere molto comuni in tutte le galassie. Spesso si parla anche di buchi neri di massa intermedia (in inglese Intermediate-mass black hole, IMBH). Si tratterebbe di buchi neri la cui massa è significativamente maggiore dei buchi neri stellari, ma tuttavia inferiore a quella dei buchi neri supermassivi. C’è minore evidenza riguardo alla loro esistenza rispetto agli altri due tipi. Alcune sorgenti di raggi X ultraluminosi in galassie vicine sono sospettate di essere degli IMBH, con dimensioni che vanno da cento a mille masse solari. Ad ogni modo non è chiaro come tali buchi neri si formerebbero. Da un lato, essi sono troppo massivi per essere formati dal collasso gravitazionale di una singola stella, che è il modo in cui i buchi neri stellari si presume si formino. D’altra parte, i loro ambienti sono privi di quelle condizioni estreme — cioè le alte densità e velocità osservate nei centri delle galassie — che sembrano condurre alla formazione di buchi neri supermassivi. Ci sono due popolari simulazioni riguardo la formazione degli IMBH. La prima, è la fusione di buchi neri stellari e altri oggetti compatti per mezzo della radiazione gravitazionale. La seconda è la collisione incontrollata di stelle massicce in densi ammassi stellari e il conseguente collasso dei prodotti di collisione in IMBH.
Nel novembre del 2004 una squadra di astronomi riportò la scoperta del GCIRS 13E, il primo buco nero di massa intermedia nella nostra galassia, orbitante a tre anni luce da Sagittarius A*. Questo buco nero intermedio di 1.300 masse solari si trova all’interno di un gruppo di sette stelle, probabilmente ciò che rimane di un insieme di stelle massicce strappate via dal centro galattico. Più recentemente, nel gennaio del 2006 alcuni scienziati annunciarono la scoperta di un’oscillazione quasi periodica da parte di un candidato a buco nero di massa intermedia. Il candidato, M82 X-1, è orbitato da una gigante rossa che sta perdendo la sua atmosfera inghiottita man mano dal buco nero. Né l’esistenza dell’oscillazione né la sua interpretazione come periodo orbitale del sistema sono pienamente accettati dal resto della comunità scientifica.

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