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ALMA osserva galassie primordiali in formazione

La figura mostra una combinazione di immagini realizzate da ALMA e dal Very Large Telescope. L’oggetto al centro, BDF 3299, è una galassia molto distante, osservata quando l’Universo aveva un’età meno di 800 milioni di anni. La nube brillante color rosso appena in basso a sinistra è stata rivelata da ALMA. Si tratta di una vasta nube di materia che si trova nella fase primordiale di formazione galattica. Credit: ESO/R. Maiolino

L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è stato utilizzato per rivelare le nubi più distanti di gas che stanno formando stelle nelle galassie distanti. Queste osservazioni permettono agli astronomi di iniziare a vedere come si sono formate le prime galassie e come esse hanno, per così dire, “ripulito” la cosiddetta “nebbia cosmica” durante l’epoca della reionizzazione. E’ la prima volta che queste protogalassie vengono osservate come più di semplici, deboli blob. I rislutati di questo studio sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

ESO: ALMA Witnesses Assembly of Galaxies in the Early Universe for the First Time

arXiv: The assembly of “normal” galaxies at z=7 probed by ALMA

L’origine della radiazione infrarossa di fondo: stelle o galassie?

Quando si sono formate le prime stelle e le prime galassie? Quanta luminosità emettono? Sono alcune delle domande a cui tenterà di rispondere un esperimento spaziale della NASA che fa parte del programma “Sounding Rockets, denominato CIBER (Cosmic Infrared Background Experiment). Lo strumento ha permesso recentemente di rivelare sorprendentemente un eccesso di radiazione infrarossa distribuita nello spazio buio tra le galassie, una sorta di bagliore cosmico diffuso che risulta così luminoso come la luce emessa da tutte le galassie. Gli scienziati ritengono che si tratti di emissione associata alle stelle “orfane” che sono state espulse dalle proprie galassie. La scoperta aggiunge nuovi indizi a quello che già sappiamo sulle galassie in quanto non possono essere più considerate come quell’enorme insieme di stelle ma come delle strutture più estese, interconnesse da una immensa vastità di stelle. Le osservazioni di questo eccesso di radiazione infrarossa di fondo, già rivelata in precedenza dal telescopio spaziale Spitzer, stanno ora aprendo tutta una serie di domande per capire se si tratta di radiazione associata alle stelle, che sono troppo distanti per essere osservate direttamente, o alle prime galassie che si sono formate circa un miliardo di anni dopo il Big Bang.

NASA: NASA Rocket Experiment Finds the Universe Brighter Than We Thought

NASA: NASA Launching Experiment to Examine the Beginnings of the Universe

Science: Rogue stars outside galaxies may be everywhere

Science: On the origin of near-infrared extragalactic background light anisotropy

arXiv: On the Origin of Near-Infrared Extragalactic Background Light Anisotropy

La prima mappa 3D della ‘rete cosmica’ primordiale

Un gruppo di astronomi guidati dai colleghi del Max Planck Institute for Astronomy hanno realizzato la prima mappa tridimensionale dell’Universo distante che risale ad appena 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. La mappa, costruita a partire dai dati raccolti con i telescopi del Keck Observatory, si estende per 100 milioni di anni-luce e fornisce preziosi indizi sulle strutture galattiche che sono ‘inserite’, si fa per dire, nella cosiddetta ‘rete cosmica‘.

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Hubble cattura la più piccola e la più debole tra tutte le ‘galassie primordiali’ finora osservate

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno effettuato ciò che potrebbe essere considerata la misura più affidabile della distanza di un oggetto presente durante le fasi primordiali della storia cosmica.  Stiamo parlando di una galassia ‘infante’, una delle più deboli, più piccole e più lontane mai osservate le cui misure sono state rese possibili grazie al fenomeno della lente gravitazionale dovuta alla deformazione dello spaziotempo che viene creata da giganteschi gruppi o ammassi di galassie. I risultati di questo studio sono stati pubblicati sull’edizione online di Astrophysical Journal Letters.

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Formazione stellare primordiale

Secondo il modello cosmologico standard, subito dopo il Big Bang l’Universo conteneva essenzialmente idrogeno ed elio. Tutti gli altri elementi necessari per formare i pianeti, le stelle e le galassie, compresa la vita stessa, si formarono nei nuclei stellari. Dunque, per gli scienziati diventa fondamentale studiare quei processi fisici relativi all’epoca della formazione delle prime stelle. Gli astronomi ritengono che le stelle si siano formate dopo qualche centinaia di milioni di anni e che il ‘grande eccesso’ di formazione stellare sia avvenuto alcuni miliardi di anni dopo, in particolare in quelle galassie che si osservano nell’infrarosso essendo nascoste dalle polveri e dal gas. Tuttavia, gli astronomi sono convinti che tali processi di attività stellare possano essere avvenuti molto tempo prima e che non siano stati ancora rivelati dai nostri telescopi.

Un gruppo di ricercatori guidati da Dominik Riechers, in qualità di investigatore principale, riportano su Nature i dati di uno studio che riguarda la scoperta di una galassia molto distante, formatesi circa 880 milioni di anni dopo il Big Bang, che mostra i segni di una robusta attività di formazione stellare. L’oggetto presenta un tasso di produzione di stelle con un ritmo circa 2000 volte superiore a quello della Via Lattea, o quasi 3000 stelle all’anno. In più, la temperatura del gas è circa tre volte superiore a quella del gas della Via Lattea, un segnale tipico che riguarda proprio la presenza di una violenta attività stellare in corso. La galassia è stata identificata grazie ad una serie di osservazioni realizzate con l’osservatorio spaziale Herschel. Essa contiene più di cento milioni di masse solari di materia riscaldata dall’intensa attività stellare piuttosto che dai processi di alta energia dovuti al buco nero supermassiccio. Insomma, nonostante queste galassie siano rare, la galassia in questione costituisce una sorta di laboratorio speciale dove è in corso una intensa attività di formazione stellare che esiste ad epoche così primordiali della storia cosmica rispetto a quanto sia stato ipotizzato dagli attuali modelli.

SAO: A Burst of Stars 13 Billion Years Ago
arXiv: A Dust-Obscured Massive Maximum-Starburst Galaxy at a Redshift of 6.34

La rapida evoluzione delle galassie primordiali

Uno studio recente condotto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto Niels Bohr dell’Università di Copenhagen suggerisce che circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang le prime galassie subirono un processo di evoluzione molto più rapido di quanto ipotizzato. “Abbiamo studiato 10 galassie molto antiche la cui luce ha viaggiato per circa 10-12 miliardi di anni prima di raggiungere i nostri telescopi. Ci aspettavamo che queste galassie fossero molto primitive e povere di elementi pesanti invece abbiamo trovato, con nostra sorpresa, che in alcune galassie e quindi in alcune stelle il gas è caratterizzato da un elevato contenuto di elementi pesanti, un po’ come quelli presenti nel Sole” spiega il professor Johan Fynbo del Dark Cosmology Centre presso il Niels Bohr Institute dell’Università di Copenhagen. Non solo, ma una galassia si è mostrata ancora più interessante. “In una di queste galassie abbiamo osservato le regioni più periferiche trovando un elevato contenuto di elementi. Ciò suggerisce che la galassie contiene grandi aree ricche di elementi pesanti e questo indica che sin dalle fasi primordiali della storia dell’Universo c’erano quelle potenziali condizioni per la formazione dei pianeti e la nascita della vita” conclude Fynbo. In questo video Jens-Kristian Krogager spiega come le ‘baby’ galassie si sono evolute molto più rapidamente di quanto ipotizzato.

Niels Bohr Institute: Baby galaxies grew up quickly
arXiv: On the sizes of z>2 Damped Lyman-alpha Absorbing Galaxies

 

ALMA osserva le galassie primordiali

Questa immagine mostra il primo piano di una selezione di quste galassie. Le osservazioni di ALMA, a lunghezze d’onda sub-millimetriche, sono visualizzare in arancione/rosso e sovrapposte all’immagine infrarossa della regione come vista dalla camera IRAC sul telescopio spaziale Spitzer.
La mappa finora migliore di queste lontane galassie polverose è stata realizzata con il telescopio APEX (Atacama Pathfinder Experiment), ma le osservazioni di APEX non erano abbastanza nitide per identificare queste galassie senza ambiguità nelle immagini ad altre lunghezze d’onda. ALMA ha impiegato appena due minuti per ogni galassia per identificarle all’interno di una regione molto piccola, più di 200 volte minore delle grandi macchie di APEX, e con una sensibilità tre volte maggiore.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Hodge et al., A. Weiss et al., NASA Spitzer Science Center

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con il complesso dei radiotelescopi ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) un gruppo di astronomi sono stati in grado di individuare più di 100 galassie nell’Universo primordiale che presentano un elevato tasso di formazione stellare . ALMA è così potente che, in sole poche ore, ha effettuato un numero di osservazioni tali da essere paragonate a quelle realizzate da telescopi simili in tutto il mondo nell’arco di più di un decennio.

La fase più intensa della nascita di nuove stelle ha avuto luogo in quelle galassie remote che contenevano molta polvere cosmica. Queste galassie sono fondamentali per comprendere la formazione e l’evoluzione delle galassie nel corso della storia dell’Universo, ma la polvere le oscura e rende difficile la loro identificazione con i telescopi ottici. Per trovarle, gli astronomi devono usare telescopi che analizzano la luce a lunghezze d’onda maggiori, intorno al millimetro, come appunto ALMA. “Gli astronomi hanno atteso dati come questi per più di un decennio. ALMA è così potente che ha rivoluzionato il modo di osservare queste galassie, anche se il telescopio non era ancora completo quando sono state effettuate le osservazioni“, ha detto Jacqueline Hodge del Max-Planck-Institut für Astronomie. Le immagini migliori delle galassie sono state ottenute con il telescopio APEX (Atacama Pathfinder Experiment), gestito dall’ESO, che ha osservato un pezzetto di cielo che sottende la dimensione della Luna piena, trovando così 126 galassie di questo tipo. Ma nelle immagini di APEX ogni regione di formazione stellare appare come una macchia indistinta, così grande da coprire più di una galassia nelle immagini più nitide fatte ad altre lunghezze d’onda. Senza sapere esattamente quale delle galassie sta producendo stelle, gli astronomi avevano alcune difficoltà ad interpretare la formazione di stelle nell’Universo primordiale. Dunque, per identificare la galassia giusta sono necessarie osservazioni ad alta definizione e perciò serve un telescopio più grande. APEX ha una sola antenna parabolica da 12 metri di diametro, mentre i telescopi come ALMA usano molte antenne simili a quella di APEX sparpagliate su grandi distanze. I segnali di tutte le antenne vengono combinati e l’effetto è quello di un unico telescopio gigante grande come l’intero insieme di antenne. I ricercatori hanno usato inizialmente ALMA per osservare le galassie della mappa di APEX durante la prima fase di osservazioni scientifiche. Usando meno di un quarto del totale di 66 antenne, distribuite su distanze fine a 125 metri, ALMA ha impiegato appena due minuti per ogni galassia per identificarle all’interno di una regione molto piccola, più di 200 volte minore delle grandi macchie di APEX e con una sensibilità tre volte maggiore. ALMA è tanto più sensibile degli altri telescopi del suo genere che in sole poche ore ha raddoppiato il numero totale di osservazioni di questo tipo. Non solo i ricercatori hanno identificato senza ambiguità quale galassia conteneva regioni attive di formazione stellare ma in circa la metà dei casi hanno scoperto che più galassie con formazione di stelle erano confuse in una sola macchia nelle osservazioni precedenti. Insomma, il potere esplorativo di ALMA ha permesso di distinguere le singole galassie. “Pensavamo che le galassie più brillanti formassero stelle mille volte più vigorosamente della nostra galassia, la Via Lattea, il che le poneva a rischio di disintegrazione. Le immagini di ALMA rivelano la presenza di galassie multiple, più piccole, che formano stelle a tassi in qualche modo più ragionevoli”, ha detto Alexander Karim uno dei membri del gruppo di ricerca. I risultati costituiscono il primo catalago statisticamente affidabile relativo a quelle galassie che presentano un tasso elevato di formazione stellare nell’Universo primordiale e forniscono nuovi indizi indispensabili per proseguire con le ulteriori indagini sulle proprietà di queste galassie a diverse lunghezze d’onda senza rischio di ottenere una interpretazione errata a causa della confusione tra le galassie. Nonostante l’elevato potere esplorativo di ALMA e la sua sensibilità senza pari, telescopi come APEX continuano ad avere un ruolo importante. “APEX può coprire una vasta area di cielo più in fretta di ALMA e perciò è ideale per identificare esattamente queste galassie”, conclude Ian Smail della Durham University.

ALMA: ALMA Pinpoints Early Galaxies at Record Speed
arXiv: An ALMA survey of submillimeter galaxies in the Extended Chandra Deep Field South: Source catalog and multiplicity

MACS0647-JD, la galassia ‘più distante’ dell’Universo

Grazie ad una serie di osservazioni incrociate ottenute mediante il telescopio spaziale Hubble e il telescopio spaziale Spitzer, gli astronomi hanno trovato quella che probabilmente potrebbe essere la galassia più distante mai osservata. L’oggetto, denominato con la sigla MACS0647-JD, appartiene ad una epoca in cui l’Universo aveva solo il 3% della sua età attuale, cioè pari a circa 420 milioni di anni dopo il Big Bang, perciò la luce ha viaggiato per 13.3 miliardi di anni prima di raggiungere i nostri telescopi.

Si tratta dell’ultima scoperta ottenuta mediante il programma Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) che utilizza gli ammassi più grandi di galassie come lenti gravitazionali per rivelare le galassie più remote dell’Universo. La gravità dovuta alla distribuzione di materia presente nell’ammasso amplifica la luce della galassia che si trova al di là dell’ammasso rendendo le immagini multiple prodotte dall’effetto della lente gravitazionale molto più luminose. L’oggetto in questione è così piccolo che si ritiene esista ancora in una fase primordiale della sua evoluzione: di fatto, una prima analisi mostra che il diametro della galassia è inferiore a 600 anni-luce di diametro, per confronto la Via Lattea si estende per circa 150 mila anni-luce, mentre si stima per la sua massa un valore di circa 100 milioni o un miliardo di masse solari, equivalente a 0,1-1% della massa delle stelle presenti nella Via Lattea. I ricercatori hanno trascorso diversi mesi prima di escludere tutte le altre spiegazioni alternative al fine di identificare l’oggetto e attribuirgli il record di distanza. La galassia sarà quasi certamente un obiettivo primario per la prossima missione del telescopio spaziale James Webb, il cui lancio è previsto nel 2018, in modo tale che gli astronomi saranno in grado di effettuare una misura definitiva della sua distanza e potranno così studiare le sue proprietà in modo più dettagliato.

[Press release: Hubble helps find candidate for most distant object in the Universe yet observed]

arXiv: CLASH: Three Strongly Lensed Images of a Candidate z ~ 11 Galaxy


Video: Zoom on galaxy cluster MACS J0647.7+7015

Una galassia super distante appartenente all’età scura dell’Universo

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con i telescopi spaziali Spitzer e Hubble, che hanno analizzato l’effetto della lente gravitazionale di galassie distanti, un gruppo di astronomi guidati da Wei Zheng della Johns Hopkins University hanno catturato la luce di quella che potrebbe essere considerata, al momento, la galassia più distante mai osservata.

Si tratta di un oggetto formatosi appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang appartenente all’epoca in cui l’Universo si trovava nella fase della cosiddetta età scura. Durante questa misteriosa epoca primordiale, l’Universo passò da una fase di oscurità ad una in cui apparve la luce di tutte le galassie che vediamo oggi. La scoperta di questa debolissima galassia apre una nuova finestra sulle epoche più remote della storia cosmica. “Si tratta dell’oggetto più distante di cui abbiamo un elevato grado di certezza” dichiara Zheng. “Adesso si tratterà di capire se esistono altri oggetti che ci permettano di avere maggiori indizi su come si è conclusa l’età buia e quindi sull’Universo delle origini”. A differenza di altri oggetti estremamente distanti che sono stati rivelati in una singola banda dello spettro elettromagnetico, questa galassia è stata osservata su cinque diverse lunghezze d’onda, quattro dovute al programma Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH) (vedasi questo post) e una alla Infrared Array Camera (IRAC) del telescopio Spitzer. Gli astronomi ritengono che la galassia abbia una età ancora inferiore, circa 200 milioni di anni, e contenga una massa pari all’1% di quella associata alla Via Lattea. Secondo gli attuali modelli sull’evoluzione delle galassie, gli scienziati ritengono che le prime galassie abbiano dimensioni molto piccole e con il passare del tempo interagiscono con altre galassie per formare oggetti più grandi come quelli che vediamo oggi. Queste galassie primordiali hanno contribuito a ionizzare nuovamente lo spazio, l’evento che segna la fine dell’età scura. Circa 400 mila anni dopo il Big Bang, inizia a formarsi l’idrogeno ma le prime stelle nelle rispettive galassie non si formeranno se non dopo qualche centinaia di milioni di anni. Successivamente, sarebbe stata proprio l’energia emessa da queste galassie a ionizzare l’idrogeno e a lasciarlo in questo stato sin da quell’epoca. Ora gli astronomi stanno programmando ulteriori osservazioni per studiare ancora più in dettaglio la cosiddetta epoca di reionizzazione soprattutto con i dati che saranno ottenuti dal telescopio spaziale James Webb (JWST) il cui lancio è previsto nel 2018. Questa galassia sarà perciò uno degli obiettivi principali della missione del JWST.

Galassie ‘scure’ ai confini dell’Universo

Questa immagine profonda mostra una regione di cielo centrata sul quasar HE0109-3518.
Il quasar è individuato da un cerchio rosso al centro dell’immagine.
L’intensa radiazione del quasar ‘illumina’, per così dire, 12 galassie ‘scure’, individuate dai cerchi blu, che appaiono molto deboli nell’immagine. Dato che non sono presenti stelle, queste galassie non emettono luce e perciò non possono essere rivelate direttamente dai telescopi. Sarebbe così impossibile rivelarle a meno che non sono illuminate da una sorgente di radiazione esterna come quella associata ad un quasar di fondo.
Credit: ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Le cosiddette ‘galassie scure’, cioè galassie appartenenti ad un’epoca primordiale della storia evolutiva dell’Universo e la cui esistenza è stata prevista ma mai verificata, potrebbero essere state rivelate oggi per la prima volta. Si tratta di oggetti ricchi di gas dove non sono presenti le stelle. La loro scoperta è stata  fatta grazie ad una serie di osservazioni condotte con il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO quando esse vengono illuminate, per così dire, dalla radiazione emessa da un quasar. Queste galassie sono piccole, non sono molto efficienti per formare stelle e si ritiene che esse abbiano avuto un ruolo importante come ‘mattoni fondamentali’ per la formazione delle galassie che vediamo oggi molto più brillanti e ricche di stelle. Questi risultati ci permettono di avere ulteriori informazioni sui quei processi che hanno portato alla formazione delle prime galassie.

ESO Pub: Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4