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Infrared and Submillimeter Probes of Gas in Galaxies: From the Milky Way to the Distant Universe

Hosted by IPAC with support from the NASA Herschel and Spitzer Projects. This conference aims to explore the formation and evolution of galaxies using mostly gas tracers. Infrared and submillimeter observations gauge not only the quantity and distribution of gas in galaxies, but also the thermal and dynamical state of its various phases. Star formation and feedback involve physics that can be constrained with long wavelength observations: photoelectric heating, UV excitation, turbulence, cosmic rays, shock waves, atomic and molecular line emission, and thermal emission from dust. The conference will begin with what we know about the physical conditions of gas in the nearby universe out to z = 1, and then push outwards to earlier epochs when galaxies were forming most of their stars. Among the topics under discussion will be the mystery of dark gas, the conditions of gas in both isolated and interacting galaxies, and the role of gas in the origin of the galaxy main sequence. As we explore the results from current facilities, we hope to lay the groundwork for understanding future observations of gas and dust.

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Scoperta una nuova tipologia di raggi cosmici

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con il satellite XMM-Newton, alcuni ricercatori del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) hanno scoperto una nuova sorgente di raggi cosmici. In prossimità dell’ammasso stellare Arches, che dista circa 100 anni-luce dal centro della Via Lattea, queste particelle vengono accelerate nell’onda d’urto generata dalle collisioni di decine di migliaia di stelle giovani, che si muovono con velocità di circa 700.000 Km/h, con una nube di gas che si trova nella direzione dell’ammasso producendo una emissione caratteristica di alta energia nella banda dei raggi-X in seguito alle interazioni con gli atomi del gas circostante. In questa regione, la densità di energia delle particelle accelerate è circa mille volte superiore a quella dei raggi cosmici che arrivano nelle vicinanze del Sistema Solare. Dunque, rispetto ai raggi cosmici scoperti circa un secolo fa da Victor Hess, la loro origine è ben diversa e non è quindi associata alle esplosioni stellari.

[Press release: New type of cosmic ray discovered after 100 years]

ArXiv: Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region

ALMA inaugura una nuova era dell’astrochimica

Qual è la chimica dell’Universo? Per rispondere a questa domanda, gli astronomi stanno tentando di sfruttare le potenti capacità esplorative del radiotelescopio ALMA e le nuove tecniche di laboratorio. Questo nuovo metodo d’indagine è stato applicato di recente da un gruppo di ricercatori che hanno analizzato il gas diffuso nelle regioni di formazione stellare della nebulosa di Orione.

I ricercatori hanno ampiamente migliorato il processo di identificazione delle “impronte digitali chimiche”, per così dire, aprendo così la strada a nuovi studi che finora erano stati impossibili o proibitivi. “Grazie ad ALMA, abbiamo mostrato come sia possibile fare l’analisi chimica di quelle regioni di formazione stellare che è stata molto limitata nel passato” dichiara Anthony Remijan del National Radio Astronomy Observatory (NRAO). L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array è attualmente in fase di costruzione nel deserto settentrionale di Atacama nel Cile. Quando sarà completato, nel 2013, le sue 66 antenne caratterizzate da una elevata precisione ed una elettronica estremamente avanzata permetteranno di esplorare l’Universo senza precedenti ed in particolare tra le lunghezze d’onda radio più lunghe e l’infrarosso. A queste lunghezze d’onda, è possibile rivelare determinate composti chimici. Di fatto, più di 170 molecole, incluse quelle organiche come i composti dello zucchero, sono già stati scoperti nello spazio. Questi elementi chimici, precursori della vita, sono presenti principalmente nelle gigantesche nubi di gas e polveri tipiche delle regioni di formazione stellare. Le molecole hanno particolari proprietà fisiche, cioè ruotano e vibrano, e ogni volta che esse modificano il loro stato fisico emettono dei segnali caratteristici che possono essere rivelati come onde radio a determinate lunghezze d’onda. L’analisi del loro spettro permette di identificarle grazie alla presenza delle diverse righe di emissione ognuna delle quali corrisponde ad una particolare lunghezza d’onda o frequenza. Ma fare ciò richiede molto tempo e non sempre si riesce ad ottenere l’informazione desiderata, senza considerare il fatto che le molecole possono cambiare le loro proprietà al variare della temperatura. Oggi, però, esiste la possibilità di analizzare simultaneamente un insieme più grande di lunghezze d’onda, confrontando i dati di ALMA con i modelli delle varie righe spettrali anche in funzione delle diverse temperature. “Il confronto è stato impressionante” spiega Sarah Fortman della Ohio State University. “Le righe spettrali rimaste sconosciute per diversi anni sono state immediatamente identificate permettendoci di verificare l’esistenza di determinate molecole e quindi tutti gli spettri più complessi che sono presenti nella nostra Galassia”. Nel passato, le tante righe spettrali non identificate rendevano l’analisi molto complicata. Oggi, invece, queste molecole non solo ci danno informazioni vitali sulla chimica di queste enormi nubi di gas ma ci dicono anche quali sono le loro condizioni fisico-chimiche. Insomma, si tratta di una nuova era nel campo dell’astrochimica perché questi metodi innovativi d’indagine astronomica stanno rivoluzionando la nostra comprensione sulle affascinanti regioni di formazione stellare.

[Press release: Astrochemistry enters a new bold era with ALMA]

La nascita di un pianeta al computer

La Terra e gli altri pianeti del Sistema Solare non sono gli unici nell’Universo. Negli ultimi decenni, la caccia ai pianeti extrasolari ha permesso di ottenere grandi risultati ed incredibili scoperte al punto che oggi gli scienziati planetari hanno un nuovo strumento d’indagine: modelli numerici che simulano la nascita dei pianeti.

Nella maggior parte dei casi, i pianeti si formano in seguito al collasso gravitazionale di una stella giovane. I gas e le polveri residue formano un disco di accrescimento attorno alla stella e le minuscole particelle del disco, i planetesimi, iniziano a collassare nel corso di milioni di anni formando corpi celesti sempre più grossi finchè prende forma un protopianeta. Sally Dodson Robinson e il suo gruppo di ricerca presso l’Università del Texas a Austin stanno realizzando una serie di simulazioni al computer dei dischi protostellari. Le simulazioni forniscono alcuni parametri importanti, come la turbolenza e la temperatura del disco che influenzano come e dove si formano i pianeti. In un disco con una elevata percentuale di turbolenza, le particelle che formano i planetesimi si muovono molto velocemente e si allontanano le une dalle altre. In una situazione meno turbolenta, invece, esisteranno molte più probabilità che le particelle collidano e si aggreghino per dar luogo ai futuri pianeti. Nel 1988, era noto solo un pianeta extrasolare, mentre oggi se ne conoscono quasi 2400 che attendono di essere confermati. Dunque, comprendere quelle condizioni favorevoli per la formazione di un pianeta permetterà agli astronomi di scoprirne sempre di più e, allo stesso tempo, fornirà nuovi ed importanti indizi sulla nascita e l’evoluzione della Terra e quindi del Sistema Solare.

Ecco a Voi una ‘fetta’ di Universo

Un gruppo di ricercatori dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e  dell’Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) hanno ricavato un metodo di calcolo che permette di seguire in maniera accurata la nascita e l’evoluzione di migliaia di galassie nel corso di miliardi di anni.

Abbiamo creato una varietà di galassie come quelle che vediamo nel nostro Universo locale” spiega Mark Vogelsberger (CfA). Il nostro spazio locale è letteralmente pieno di maestose galassie a spirale come la vicina Andromeda o la galassia Pinwheel  o ancora la galassia Whirlpool. Le spirali sono comuni ma c’è da dire che alcune simulazioni realizzate in precedenza hanno dato dei problemi: di fatto, si ottenevano tante galassie di forma sferica senza il disco o le caratteristiche braccia a spirale. Grazie ad un nuovo programma, denominato Arepo, è stato possibile risolvere queste difficoltà. Creato da Volker Springel (HITS), Arepo genera una simulazione dell’Universo partendo dall’epoca in cui emerge la radiazione cosmica di fondo fino ad ai nostri giorni. Una delle caratteristiche del programma è la geometria che utilizza. Mentre le precedenti simulazioni dividevano lo spazio in regioni cubiche di dimensioni fissate, Arepo utilizza una griglia dinamica che si flette e si muove nello spazio seguendo il moto del gas, delle stelle, della materia scura e dell’energia scura. Grazie al supercomputer Odyssey di Harvard, è stato possibile comprimere, per così dire, 14 miliardi di anni in pochi mesi, un calcolo immane che avrebbe tenuto impegnato un normale PC per almeno qualche centinaia di anni. Ora, il passo successivo sarà quello di considerare volumi più grandi di spazio e una risoluzione spaziale migliore in modo da ottenere la più grande e la più realistica simulazione della struttura su larga scala dell’Universo mai realizzata.


ArXiv 1: Moving mesh cosmology: numerical techniques and global statistics

ArXiv 2: Moving mesh cosmology: the hydrodynamics of galaxy formation

ArXiv 3: Moving mesh cosmology: characteristics of galaxies and haloes