Come un archeologo cerca di ricostruire la storia attraverso il ritrovamento di reperti, così gli astronomi si trovano a delineare la storia di formazione di una galassia osservandola come appare oggi. La storia da ricostruire, però, è ben più lunga: miliardi di anni in cui una galassia ha formato nuove stelle, ne ha viste morire altre, si è scontrata con galassie vicine e, magari, ne ha fagocitate di più piccole che passavano di lì. Come mettere ordine, dunque, in una storia così complessa e imprevedibile? Mappando attentamente alcuni elementi chimici chiave come l’ossigeno, propone uno studio pubblicato oggi su Nature Astronomy, e confrontando i risultati con simulazioni cosmologiche in grado di riprodurre le abbondanze chimiche osservate.
Un’immagine artistica mostra la gigantesca galassia a spirale Ngc 1365 mentre entra in collisione e si fonde con una galassia compagna più piccola, stimolando la formazione stellare e ridistribuendo il gas e gli elementi pesanti. Crediti: Melissa Weiss/CfA
Il reperto di questo primo studio di “archeologia extragalattica” – così l’hanno chiamata gli autori – è la galassia Ngc 1365, una spirale barrata visibile nella costellazione della Fornace a circa 56 milioni di anni luce da noi, simile alla Via Lattea ma molto più attiva nel formare nuove stelle. Dalla Terra il suo disco è visibile di fronte (in inglese, face-on), caratteristica che la rende la candidata perfetta per studi di spettroscopia a campo integrale. Gli autori dell’articolo hanno utilizzato i dati della survey Typhoon ottenuti con il telescopio Irénée du Pont presso l’Osservatorio di Las Campanas, in Cile, che raggiungono una risoluzione sufficientemente elevata da distinguere e studiare le singole nubi di formazione stellare all’interno della galassia. Nel caso di Ngc 1365 i ricercatori hanno misurato l’abbondanza dell’ossigeno in 4546 punti della galassia, con una risoluzione di circa 570 anni luce. Vediamo perché.
Le stelle più giovani, massicce e calde, brillano intensamente nell’ultravioletto e questa luce può eccitare i gas circostanti. Ogni elemento presente nel gas, come l’ossigeno, riemette la luce assorbita a lunghezze d’onda ben precise, visibili come righe luminose e strette nello spettro. Generalmente, i centri delle galassie contengono una maggiore quantità di elementi pesanti, tra cui l’ossigeno, mentre le regioni esterne ne contengono meno. La distribuzione dell’ossigeno dipende da diversi fattori, tra cui il luogo e il momento in cui le stelle si sono formate e sono poi esplose come supernove al termine della loro vita, i flussi di gas in entrata o in uscita dalla galassia o ancora le fusioni con altre galassie. Misurando come variano l’abbondanza e la distribuzione dell’ossigeno all’interno della galassia e confrontando i risultati con quelli delle simulazioni, in linea di principio è dunque possibile ricostruire come una galassia sia cresciuta e si sia fusa con altre nel corso della sua storia evolutiva. Le simulazioni, dal canto loro, tracciano il movimento del gas, la storia di formazione stellare, i buchi neri e l’evoluzione chimica delle galassie a partire da poco dopo il Big Bang fino ai giorni nostri.
Nel caso di Ngc 1365, i ricercatori hanno confrontato le osservazioni con i risultati della simulazione Illustris su 20mila galassie, per capire come questa abbia formato le sue stelle e se si sia fusa con altre galassie nel corso dei suoi 12 miliardi di anni di vita. Ne hanno trovata una che corrisponde alle proprietà osservate di Ngc 1365, secondo cui la regione centrale si è formata nelle prime fasi della storia della galassia, producendo una grande quantità di ossigeno. Il gas nelle regioni più esterne si è invece accumulato nel corso di 12 miliardi di anni attraverso collisioni con galassie nane più piccole. Il gas nei bracci esterni della galassia si è probabilmente formato relativamente tardi, negli ultimi miliardi di anni, alimentato anch’esso da gas e stelle provenienti da galassie nane in fusione. Nel complesso, i risultati mostrano che Ngc 1365 è iniziata come una piccola galassia ed è cresciuta lentamente fino a diventare una gigantesca galassia a spirale attraverso molteplici fusioni con galassie nane.
Sei immagini della galassia a spirale Ngc 1365, estratte dal suo cubo di dati spettrofotometrici della survey Typhoon. All’estrema sinistra c’è un’immagine a banda larga della galassia che bilancia le immagini del continuo B (blu), V (visibile) e R (rosso) per approssimare ciò che vedrebbe l’occhio umano. L’immagine successiva è un’immagine a banda stretta estratta dal cubo di dati Typhoon, incentrata sulla linea H-alfa dell’idrogeno ionizzato. Le singole regioni HII, alimentate da calde stelle OB ad alta luminosità, sono chiaramente visibili e delineano i due massicci bracci a spirale. Le tre immagini successive sono sezioni incentrate su altre linee di emissione diagnostiche (azoto, zolfo e una composizione di tutte e tre le linee di emissione diagnostiche). Il pannello finale mostra il campo di velocità codificato a colori di Ngc 1365. Crediti: B. Madore, The Observatories, Carnegie Institution for Science
«Questo studio mostra molto bene come le osservazioni possano essere direttamente supportate dalla teoria», commenta Lisa Kewley, prima autrice dell’articolo, professoressa a Harvard e direttrice del Center for Astrophysics. «Credo che influenzerà anche il modo in cui teorici e osservatori collaborano, perché questo progetto è stato per il 50 per cento teoria e per il 50 per cento osservazioni, e non sarebbe stato possibile senza entrambe. Servono entrambe per arrivare a queste conclusioni».
Studiando galassie come Ngc 1365, che presenta somiglianze con la Via Lattea, gli astronomi possono comprendere meglio quanto la nostra galassia sia tipica o insolita e i diversi percorsi che le galassie possono seguire per raggiungere il loro stato attuale.
«Tutte le galassie a spirale si formano nello stesso modo?», conclude Kewley. «Ci sono differenze nei loro processi di formazione? Dove è distribuito oggi il loro ossigeno? La Via Lattea è diversa o unica in qualche modo? Queste sono le domande a cui vogliamo rispondere».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “The assembly history of Ngc 1365 through chemical archaeology“, di Lisa J. Kewley, Kathryn Grasha, Alex Garcia, Paul Torrey, Jeff Rich, Z. S. Hemler, Qian-Hui Chen, Peixin Zhu, Mark Seibert, Lars Hernquist e Barry Madore