OLTRE IL 70 PER CENTO SI EVOLVERÀ IN AMMASSI DI GALASSIE

Protoammassi di Planck, dal Big Bang a oggi

Spostando la lancetta del tempo dall'epoca del mezzogiorno cosmico, circa dieci miliardi fa, fino ai giorni nostri, un team di astronomi ha studiato l'evoluzione di alcuni candidati protoammassi individuati nelle mappe del satellite Planck. I risultati dello studio, pubblicati su A&A, mostrano che una buona percentuale di questi oggetti distanti oggi sarebbero enormi ammassi di galassie. Abbiamo intervistato Mari Polletta dell’Inaf di Milano, coautrice dell’articolo

     08/11/2022
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Planck è stata la prima missione europea a studiare il fondo cosmico a microonde e a fornirci la mappa più dettagliata mai ottenuta di questa luce fossile, risalente a quando l’universo aveva solo poche migliaia di anni. Su questo segnale antichissimo sono sovraimpresse le emissioni di migliaia di strutture cosmiche che si sono formate ed evolute nei miliardi di anni successivi. I protoammassi sono tra queste strutture. Aloni ad alta densità di materia barionica, questi oggetti celesti sono i progenitori degli ammassi di galassie, le più massicce e più grandi strutture del cosmo, formate da migliaia di galassie legate gravitazionalmente tra loro, gas caldo e grandi quantità di materia oscura.

Durante i suoi quasi cinque anni di missione (dal 2009 al 2013), Planck ha scrutato in lungo e in largo il cielo alle lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche, identificando oltre duemila candidati proto-ammassi. Un team internazionale di astronomi guidati dal Korea Institute for Advanced Study (Kias) di Seul ha studiato l’evoluzione di alcuni di questi oggetti, dimostrando che molti di essi si evolveranno probabilmente in enormi ammassi di galassie.

Simulazione ottenuta dal codice IllustrisTng che mostra l’evoluzione di un protoammasso dall’epoca osservata da Planck, circa 3 miliardi di anni dopo il Big Bang, fino ai giorni nostri, 13 miliardi di anni dopo la nascita dell’universo. Rispetto al passato, la simulazione mostra una riduzione del numero di regioni di formazione stellare (in rosso) e un aumento della quantità di materia oscura (in nero). Crediti: Gouin et al., A&A 2022, Ias, IllustrisTng simulations

I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel numero di agosto della rivista Astronomy & Astrophysics. Tra gli autori c’è anche Mari Polletta, astrofisica all’Inaf di Milano. I suoi interessi di ricerca si concentrano su oggetti astrofisici che abbracciano un’ampia gamma di dimensioni, dai densi buchi neri supermassicci al centro dei nuclei galattici attivi alle strutture più estese dell’universo – i protoammassi di galassie, appunto. Attualmente si occupa dello studio delle sorgenti PHz – l’acronimo sta per Planck high-z –, cioè candidati proto-ammassi selezionati dalle mappe del satellite Planck, risalenti all’epoca del “mezzogiorno cosmico” – circa 10 miliardi di anni fa – quando sia la formazione stellare che l’accrescimento dei buchi neri supermassicci erano al loro apice. L’abbiamo intervistata.

Polletta, cosa avete fatto esattamente nello studio? 

«Abbiamo esaminato un campione di sorgenti selezionate a partire da osservazioni nel sub-millimetrico del satellite Planck. Queste sorgenti contengono un alto numero di galassie vicine ed in piena attività di formazione stellare. Per tali proprietà, questi sistemi sono considerati candidati di proto-ammassi di galassie. Perché un sistema di galassie sia considerato un proto-ammasso, occorre dimostrare che evolverà in un ammasso di galassie all’epoca attuale dell’universo, tipicamente entro una decina di miliardi di anni. A questo scopo abbiamo fatto ricorso a delle simulazioni idrodinamiche di grandi volumi dell’universo (chiamate IllustrisTng) dove abbiamo tentato di replicare la selezione delle sorgenti Planck prendendo in considerazione i sistemi di galassie in volumi simili a quelli occupati dalle sorgenti Planck e con i più alti livelli di attività di formazione stellare. Questa selezione si è rivelata valida, avendo permesso di trovare proto-ammassi simulati con proprietà globali, come la massa stellare, il tasso di formazione stellare ed il numero di galassie, simili a quelli dei sistemi osservati e selezionati da Planck».

Maria Del Carmen Polletta, astrofisica all’Inaf Iasf di Milano

Qual è il risultato che avete ottenuto? E perché è importante?

«Tramite queste simulazioni siamo riusciti a spiegare la natura delle sorgenti selezionate da Planck. Queste sorgenti sono considerate i predecessori degli ammassi di galassie osservati durante una fase di intensa attività di formazione stellare. Negli ammassi di galassie questa attività è pressoché assente, ma in passato queste stesse galassie hanno formato molte stelle. Sapere come, quando e perché questa attività di formazione stellare è avvenuta richiede scovare le galassie proprio durante queste fasi di crescita. Le sorgenti Planck sono state selezionate con questo obiettivo, ma stabilirne l’evoluzione e determinare se effettivamente queste evolveranno in ammassi di galassie non è banale e per questo il confronto con le simulazioni è così importante, perché proprio tramite esso siamo stati in grado di stabilire che più del 70 per cento dei sistemi selezionati in base al loro elevato livello di attività di formazione stellare è destinato a evolvere in un ammasso di galassie all’età attuale dell’universo».

E il rimanente 30 per cento?

«Il rimanente contiene per lo più sistemi che diverranno gruppi di galassie, cioè aggregati di galassie, comunque gravitazionalmente legate, ma di massa inferiore a quella di un ammasso. Quando si parla di massa, si intende la massa dell’alone di materia oscura al quale le galassie sono gravitazionalmente legate»

Perché è fondamentale lo studio di queste sorgenti?

«I proto-ammassi sono tra i sistemi più ricchi di galassie nell’epoca in cui l’universo aveva meno di 3 miliardi di anni. Si pensa che le galassie in questi sistemi abbiano sperimentato un’intensa attività di formazione stellare, contribuendo a circa il 30 per cento delle densità di formazione stellare dell’universo durante tale epoca. Pertanto, trovare tali sistemi e le galassie membro con elevati tassi di formazione stellare permette di studiare le condizioni ambientali e i processi fisici che hanno permesso tale attività. Questo tipo di osservazioni permette inoltre di studiare come tali sistemi si assemblino e di spiegare perché gli ammassi di galassie siano principalmente popolati da galassie con grande massa stellare e scarsa o assente attività. Infine, le simulazioni attuali non sono in grado di riprodurre le galassie con elevati tassi di formazione stellare come quelle situate in corrispondenza di alcune di queste sorgenti Planck. Solo alcune di queste sorgenti sono state riprodotte dalle simulazioni, ma non quelle più estreme in termini di livello di attività».

Nell’articolo suggerite un nuovo metodo per valutare se una struttura ad alto redshift è un protoammasso che diventerà un ammasso di galassie. Di che si tratta?

«Grazie alle simulazioni, abbiamo potuto esaminare quale proprietà osservabile all’epoca del proto-ammasso può predire il suo destino, o in altre parole, la sua massa finale. Tra le varie proprietà esaminate, un grande numero di galassie ed una distribuzione uniforme del livello di attività di formazione stellare sembrano essere i criteri migliori per identificare i sistemi che evolveranno in ammassi di grande massa».

Cosa prevedete di fare nel prossimo futuro?

«Le simulazioni riescono a riprodurre le proprietà globali del campione di proto-ammassi selezionato, come la massa stellare, il tasso di formazione stellare ed il numero di galassie che ne fanno parte. Questo confronto è stato effettuato solo per i sistemi dove le galassie membro sono state individuate tramite osservazioni spettroscopiche nell’ottico e nel vicino infrarosso. Quando invece consideriamo le galassie che sfuggono a queste misure perché estremamente oscurate, i loro tassi di formazione stellare risultano troppo elevati rispetto a quelli predetti dalle simulazioni. È su queste galassie e i sistemi a cui appartengono che ci stiamo concentrando ora. A questo scopo abbiamo ottenuto e otterremo osservazioni a lunghezze d’onda dove l’attenuazione della luce da parte delle polveri non è un problema, come quelle dell’infrarosso e del millimetrico, dove la sensibilità e la risoluzione spaziale di telescopi come Alma, Iram/Noema e Jwst permetteranno di studiare i processi in grado di generare gli elevati tassi di formazione stellare osservati in queste galassie».


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