Galassie rotanti a bizzeffe: I nuovi risultati di ALPINE rivelano quelle che sembrano essere galassie a spirale nel giovane Universo


Un collage di 21 galassie riprese dall’indagine ALPINE. Le immagini sono basate sulla luce emessa da carbonio ionizzato singolarmente, o C+. Questi dati mostrano la varietà delle diverse strutture delle galassie già esistenti a meno di 1,5 miliardi di anni dal Big Bang (il nostro universo ha 13,8 miliardi di anni). Alcune delle immagini contengono in realtà galassie in fusione; per esempio, l’oggetto nella fila in alto, secondo da sinistra, è composto in realtà da tre galassie che si stanno fondendo. Altre galassie sembrano essere più ordinate e possono essere a spirale; un chiaro esempio è nella seconda fila, la prima galassia da sinistra. La nostra Via Lattea è mostrata in scala per aiutare a visualizzare le piccole dimensioni di queste galassie neonate.

I nuovi risultati di un ambizioso programma di rilevamento del cielo, chiamato ALPINE, rivelano che le galassie a forma di disco rotante possono essere esistite in gran parte prima di quanto si pensasse nell’universo.

Il programma ALPINE, formalmente denominato “ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times”, utilizza i dati ottenuti da 70 ore di osservazioni del cielo con l’osservatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in Cile, in combinazione con i dati di precedenti osservazioni di una serie di altri telescopi, tra cui l’Osservatorio W. M. Keck alle Hawaii e i telescopi spaziali Hubble e Spitzer della NASA. In particolare, l’indagine ha riguardato una porzione di cielo contenente decine di galassie remote.

“Questo è il primo studio a più lunghezze d’onda, dall’ultravioletto alle onde radio di galassie lontane che esisteva tra 1 miliardo e 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang”, dice Andreas Faisst, uno scienziato dello staff dell’IPAC, un centro di astronomia del Caltech, e uno dei principali ricercatori del programma ALPINE, che comprende scienziati di tutto il mondo.

Una delle funzioni chiave di ALPINE è l’utilizzo di ALMA per osservare la firma di uno ione noto come C+, che è una forma di carbonio a carica positiva. Quando la luce ultravioletta delle stelle neonate colpisce le nuvole di polvere, crea gli atomi di C+. Misurando la firma di questo atomo, o “linea di emissione”, nelle galassie, gli astronomi possono vedere come le galassie ruotano; mentre il gas contenente C+ nelle galassie gira verso di noi, la sua firma luminosa si sposta a lunghezze d’onda più blu, e mentre si allontana, la luce si sposta a lunghezze d’onda più rosse. Questo è simile alla sirena di un’auto della polizia che aumenta di tono mentre corre verso di voi e diminuisce mentre si allontana.

Utilizzando ALMA, gli scienziati possono misurare la rotazione delle galassie nell’universo primitivo con una precisione di pochi chilometri al secondo. Questo è reso possibile dall’osservazione della luce emessa dal carbonio ionizzato singolarmente nelle galassie, noto anche come C+. L’emissione di C+ da nubi di gas che ruotano verso di noi viene spostata a lunghezze d’onda più blu e più corte, mentre le nubi che ruotano lontano da noi emettono luce spostata a lunghezze d’onda più lunghe e più rosse. Misurando questo spostamento della luce, gli astronomi possono determinare la velocità di rotazione delle galassie.

Il team di ALPINE ha effettuato le misure C+ su 118 galassie remote per creare un catalogo non solo delle loro velocità di rotazione, ma anche di altre caratteristiche come la densità dei gas e il numero di stelle che si formano.

L’indagine ha rivelato galassie rotanti maciullate che erano in fase di fusione, oltre a galassie a forma di spirale apparentemente perfettamente lisce. Circa il 15 per cento delle galassie osservate aveva una rotazione ordinata e regolare, come ci si aspetta per le galassie a spirale. Tuttavia, gli autori notano, le galassie possono non essere spirali ma dischi rotanti con ciuffi di materiale. Le osservazioni future con la prossima generazione di telescopi spaziali di nuova generazione individueranno la struttura dettagliata di queste galassie.

“Stiamo trovando galassie rotanti ben ordinate in questo stadio molto precoce e abbastanza turbolento del nostro universo”, dice Faisst. “Ciò significa che si devono essere formate da un processo di raccolta di gas senza problemi e non si sono ancora scontrate con altre galassie, come molte delle altre galassie”.

Combinando i dati di ALMA con le misurazioni di altri telescopi, tra cui l’ormai in pensione Spitzer, che ha contribuito in modo specifico a misurare le masse delle galassie, gli scienziati sono in grado di studiare meglio come queste giovani galassie si evolvono nel tempo.

L’oggetto raffigurato sopra è DC-818760, che consiste di tre galassie che sono probabilmente in rotta di collisione. Come tutte le galassie del rilievo ALPINE, è stato ripreso da diversi telescopi. Questo approccio “multi-lunghezza d’onda” permette agli astronomi di studiare in dettaglio la struttura di queste galassie. Il telescopio spaziale Hubble Space Telescope della NASA (blu) rivela regioni di formazione stellare attiva non oscurate dalla polvere; il telescopio spaziale Spitzer (verde) della NASA, ora in pensione, mostra la posizione delle stelle più vecchie che vengono utilizzate per misurare la massa stellare delle galassie; e ALMA (rosso) traccia gas e polvere, permettendo di misurare la quantità di formazione stellare nascosta dalla polvere. L’immagine nella parte superiore dell’immagine combina la luce di tutti e tre i telescopi. La mappa della velocità in basso mostra il gas nelle galassie rotanti che si avvicinano (blu) o che si allontanano (rosso).

“Come fanno le galassie a crescere così velocemente? Quali sono i processi interni che le fanno crescere così rapidamente? Sono domande a cui ALPINE ci sta aiutando a rispondere”, dice Faisst. “E con l’imminente lancio del telescopio spaziale James Webb della NASA, saremo in grado di seguire queste galassie per saperne ancora di più”.

Lo studio, condotto da Faisst, si intitola “The ALPINE-ALMA CII Survey”: Multi-Wavelength Ancillary Data and Basic Physical Measurements” è stato finanziato dalla NASA e dall’European Southern Observatory.

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