LE PRIME MOLECOLE SI SONO FORMATE APPENA POSSIBILE NELL’UNIVERSO

Acqua antichissima adocchiata da Alma

C’erano già molecole come l’acqua nelle galassie che popolavano il cosmo un miliardo di anni dopo il Big Bang. Lo suggerisce uno studio basato su osservazioni di Alma, che ha identificato oltre all'acqua anche monossido di carbonio in Spt0311-58, la galassia più massiccia nota nell’universo primordiale. Tutti i dettagli su ApJ

     04/11/2021
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Questa immagine combina il contenuto di polvere (in rosso), acqua (in blu) e monossido di carbonio (osservato in tre diverse lunghezze d’onda e mostrato in tre sfumature di rosa/viola) nella coppia di galassie Spt0311-58 osservate con Alma. Nella colonna a destra, sono visibili i contributi individuali delle varie componenti (cliccare per ingrandire). Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao)/S. Dagnello (Nrao)

L’acqua è la terza molecola più abbondante nell’universo, dopo l’idrogeno molecolare (H2) e il monossido di carbonio (CO). Fondamentale per la vita come la conosciamo sulla Terra, è stata ormai osservata ovunque in giro per il cosmo, dai pianeti e le lune del Sistema solare alle regioni di formazione stellare nella nostra galassia, la Via Lattea, e oltre.

Una nuova ricerca, basata su osservazioni effettuate con Alma, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Cile, ha rivelato ora acqua e monossido di carbonio nella galassia Spt0311-58, la più massiccia nota nell’universo primordiale. Scoperta nel 2017 nei dati del South Pole Telescope e di Alma, Spt0311-58 comprende in realtà due galassie che, nelle osservazioni, ci appaiono come erano quando l’universo aveva appena un miliardo di anni: la loro luce ha infatti viaggiato circa 12,88 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra.

Si tratta dello studio più dettagliato ad oggi del contenuto molecolare del gas interstellare in una galassia in questa era remota della storia cosmica, nonché del rilevamento più distante mai realizzato di acqua in una galassia “normale” (ovvero senza segni di attività legata ad accrescimento di materia sul buco nero supermassiccio al suo centro). Riscontrare abbondanza sia di acqua che di monossido di carbonio in questa epoca cosmica indica che l’universo era già attivo nel forgiare molecole poco dopo la comparsa di elementi come carbonio e ossigeno, prodotti dalla prima generazione di stelle.

«Questa galassia è la galassia più massiccia attualmente conosciuta ad alto redshift, ovvero nell’epoca in cui l’universo era ancora molto giovane. Contiene più gas e polvere rispetto ad altre galassie nell’universo primordiale, il che ci offre molte potenziali opportunità per osservare molecole abbondanti e per capire meglio come questi elementi in grado di creare la vita hanno influenzato lo sviluppo dell’universo primordiale», afferma Sreevani Jarugula, ricercatrice all’Università dell’Illinois, Stati Uniti, e prima autrice del nuovo articolo, pubblicato su The Astrophysical Journal.

Osservare e analizzare in dettaglio le prime galassie che si sono formate nella storia dell’universo è fondamentale per comprendere l’origine e l’evoluzione delle strutture cosmiche, compresi il Sistema solare e la Terra. «Le prime galassie producono stelle con un tasso migliaia di volte superiore a quello della Via Lattea», aggiunge Jarugula. «Studiare il contenuto di gas e polvere di queste prime galassie ci dà informazioni sulle loro proprietà, tra cui il numero di stelle che si stanno formando, la velocità con cui il gas viene convertito in stelle, come le galassie interagiscono tra loro e con il mezzo interstellare, e altro ancora».

Rappresentazione artistica di Spt0311-58. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao)/S. Dagnello (Nrao)

La coppia galattica Spt0311-58 risale alla fine dell’epoca della reionizzazione, quel periodo nella storia cosmica in cui il gas che pervade l’universo, inizialmente neutro, è stato via via ionizzato dalla luce prodotta dalle prime stelle e galassie che all’epoca stavano nascendo. Gli scienziati non escludono che, nel corso dell’evoluzione cosmologica successiva, le due galassie si siano poi fuse, consumando rapidamente il loro combustibile per produrre stelle e dando luogo a gigantesche galassie ellittiche simili a quelle osservate nell’universo locale.

Negli anni passati, altri studi di galassie sia nell’universo locale che in quello primordiale avevano analizzato la correlazione tra la radiazione emessa dalle molecole di acqua e quella rilasciata dai grani di polvere sparsi nel gas interstellare. «La polvere assorbe la radiazione ultravioletta proveniente dalle stelle della galassia e la riemette sotto forma di fotoni nel lontano infrarosso: questo eccita ulteriormente le molecole d’acqua, dando origine all’emissione dell’acqua che gli scienziati sono in grado di osservare», nota la ricercatrice. Questa correlazione, che ha permesso al team di rilevare l’acqua nella galassia Spt0311-58, potrebbe essere usata in futuro per tracciare la formazione stellare sulla base dell’acqua nelle galassie su scala cosmologica.

Secondo Jarugula, c’è ancora molto da imparare su Spt0311-58 e sulle galassie agli albori dell’universo. «Questo studio non solo fornisce risposte su dove e quanto lontano può esistere l’acqua nell’universo, ma ha anche sollevato una grande domanda: come è stato possibile assemblare così tanto gas e polvere per formare stelle e galassie così presto nell’universo? La risposta richiede ulteriori studi di queste e simili galassie star-forming per ottenere una migliore comprensione della formazione delle strutture e dell’evoluzione dell’universo primordiale».

Per saperne di più:

  • Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Molecular Line Observations in Two Dusty Star-Forming Galaxies at z = 6.9” di Sreevani Jarugula, Joaquin D.Vieira, Axel Weiß, Justin S. Spilker, Manuel Aravena, Melanie Archipley, Matthieu Béthermin, Scott C. Chapman, Chenxing Dong, Thomas R. Greve, Kevin Harrington, Christopher C. Hayward, Yashar Hezaveh, Ryley Hill, Katrina C. Litke, Matthew A. Malkan, Daniel P. Marrone, Desika Narayanan, Kedar A. Phadke, Cassie Reuter e Kaja M. Rotermund