ALMA testimone della costruzione delle galassie nell'Universo primordiale

L' Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( ALMA) ha permesso di rivelare le più distanti nubi di gas con formazione stellare mai viste in una galassia nell' Universo primordiale. Queste osservazioni, in cui le galassie sono più di una semplice macchia, permettono di comprendere come si sono formate le prime galassie e come sia stata rimossa la nebbia cosmica durante l'epoca della re-ionizzazione.

Qui sotto il comunicato ESO.

Quando le prime galassie hanno iniziato a formarsi centinaia di milioni dopo il Big Bang, l'Universo era riempito da una nebbia di idrogeno gassoso. Ma a mano a mano che sorgenti brillanti - stelle e quasar alimentati da enormi buchi neri - hanno iniziato a brillare hanno spazzato via la foschia e reso l'Universo stasparente alla luce ultravioletta.

Gli astronomi la chiamano epoca della re-ionizzazione.
L'idrogeno neutro gassoso assorbe in modo efficiente tutta la luce ultravioletta di alta energia emessa dalle giovani stelle calde. Di conseguenza, queste stelle sono quasi impossibili da osservare nell'Universo primordiale. Nello stesso tempo, la luce ultravioletta assorbita ionizza l'idrogeno, rendendolo del tutto trasparente. Le stelle calde perciò scavano bolle trasparenti nel gas. Quando tutte queste bolle si uniscono a riempire lo spazio, la re-ionizzazione è completa e l'Universo diventa trasparente.

Tuttavia, non si conosce molto di queste prime galassie e finora sono state viste solo come piccole macchie. Ora le nuove osservazioni che sfruttano la potenza di ALMA iniziano a cambiare questo stato di cose.

Un'equipe di astronomi, con a capo Roberto Maiolino ( Cavendish Laboratory e Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Regno Unito) ha puntato ALMA verso galassie note per essere viste a circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang (corrispondenti ad un redshift tra 6.8 e 7.1). Gli astronomi non stavano cercando la luce delle stelle ma il debole bagliore del carbonio ionizzato proveniente dalle nubi di gas da cui si stavano formando le stelle. Volevano studiare l'interazione tra una giovane generazione di stelle e i grumi freddi che si stavano formando in queste prime galassie.

Gli astronomi sono particolarmente interessati al carbonio ionizzato perchè questa particolare linea spettrale porta via molta dell'energia immessa dalle stelle e permette agli astronomi di tracciare il gas freddo da cui si formano le stelle. In modo specifico, l'equipe stava cercando l'emissione del carbonio ionizzato una volta sola (noto come [ CII]). questa radiazione è emessa alla lunghezza d'onda di 158 micrometri e, quando raggiunge ALMA, allungata dall'espansione dell'Universo, ha giusto la lunghezza d'onda di circa 1,3 millimetri che serve per essere rivelata.

Non stavano neppure cercando i rari oggetti molto brillanti - come i quasar e le galassie ad alto tasso di formazione stellare - che erano stati visti finora. Invece si sono concentrati su galassie meno spettacolari ma più frequenti, le galassie che hanno re-ionizzato l'Universo e poi si sono lentamente trasformate nelle galassie che vediamo ora intorno a noi.

Da una delle galassie - etichettata come BDF 3299 - ALMA ha potuto raccogliere un segnale debole ma chiaro dal carbonio incandescente. Tuttavia questo bagliore non proveniva dal centro della galassia, ma dalla sua periferia.

Il co-autore Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italia) spiega l'importanza di questa scoperta:
" Questa è la più lontana osservazione di questo tipo di emissione da una galassia "normale", vista meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Ci dà l'opportunità di osservare la formazione delle prime galassie. Per la prima volta vediamo le galassie primordiali non come piccole macchie ma come oggetti con una struttura interna!".

Gli astronomi pensano che la posizione non centrale del bagliore osservato sia dovuta al fatto che le nubi centrali vengono distrutte dall'ambiente ostile creato dalle stelle appena formate - sia l'intensa radiazione prodotta che gli effetti delle esplosioni di supernvoa - mentre l'emissione del carbonio indica la posizione del gas freddo che viene aggregato dal mezzo intergalattico.

Combinando le nuove osservazioni di ALMA con simulazioni numeriche è stato possibile capire in dettaglio i processi fondamentali che avvengono nelle prime galassie. Gli effetti della radiazione delle stelle, la sopravvivenza delle nubi molecolari, la fuga di radiazione ionizzante e la struttura complessa del mezzo interstellare si possono ora calcolare e confrontare con le osservazioni. BDF 3299 potrebbe diventare il tipico esempio di galassia responsabile per la re-ionizzazione.

" Per molti anni abbiamo cercato di capire il mezzo interstellare e la formazione delle sorgenti di re-ionizzazione. Poter finalmente verificare le previsioni e le ipotesi con dati reali da ALMA è un momento emozionante e apre tutta una nuova serie di domande. Questo tipo di osservazioni farà luce su molti dei problemi spinosi sulla formazione delle prime stelle e galassie nell'Unvierso", aggiunge Andrea Ferrara.

Roberto Maiolino conclude: " Questo studio sarebbe stato semplicemente impossibile prima di ALMA, nessun altro strumento può raggiungere la sensibilità e la risoluzione spaziale necessarie. Anche se questa è una delle osservazioni più profonde fatte finora con ALMA, lo strumento non ha ancora raggiunto le sue capacità finali. In futuro ALMA produrrà immagini della struttura fine delle galassie primordiali e traccerà in dettaglio la costruzione delle prime galassie".