Come si sono formate le galassie più grandi

È tanto umiliante quanto motivante pensare a quanto ancora dobbiamo imparare sull’universo. Alcuni ricercatori hanno appena affrontato uno dei misteri duraturi dell’astrofisica: come possano formarsi le galassie ellittiche massive.

Ora, per la prima volta, abbiamo solide prove osservative che forniscono una risposta. I risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature.

Le galassie nell’universo odierno rientrano in due ampie categorie. Ci sono galassie a spirale, come la nostra Via Lattea, che sono ricche di gas e formano continuamente stelle in un disco rotante. Ci sono anche galassie ellittiche, che sono grandi e sferiche piuttosto che piatte, simili a una palla da rugby. Queste ultime non producono nuove stelle ma sono dominate da stelle formate da più di 10 miliardi di anni fa.

La formazione delle galassie ellittiche è stata a lungo difficile da spiegare con modelli cosmologici che descrivono l’evoluzione dell’universo dal Big Bang a oggi. Una delle sfide è che si pensava che la formazione stellare durante l’era in cui si formarono le galassie ellittiche (da 10 a 12 miliardi di anni fa) avvenisse all’interno di grandi dischi rotanti, simili alla nostra Via Lattea.

Come hanno fatto le galassie a trasformare la loro forma da dischi piatti a galassie ellittiche tridimensionali?

Osservazioni con Alma

Analizzando i dati dell’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), i ricercatori hanno identificato i siti di nascita delle galassie ellittiche giganti. Hanno scoperto che le galassie ellittiche locali possono formarsi attraverso episodi intensi e di breve durata di formazione stellare all’inizio dell’universo, anziché iniziare come un disco rotante e diventare più ellittiche nel tempo.

Lo studio ha esaminato la distribuzione della polvere in più di 100 galassie distanti, che sappiamo formavano molte stelle quando l’universo aveva tra 2,2 e 5,9 miliardi di anni. La polvere indica la presenza di gas, il materiale da cui si formano le nuove stelle, e ci consente di studiare le regioni all’interno di una galassia che stanno attivamente formando nuove stelle.

Utilizzando una nuova tecnica di osservazione, hanno scoperto che la polvere in queste galassie distanti è estremamente compatta e non è quella che ci aspettavamo da galassie piatte a forma di disco. Inoltre, sono stati in grado di dedurre la geometria tridimensionale delle regioni che emettono polvere. Questa analisi indica che la maggior parte delle prime galassie che formavano stelle erano in realtà sferiche piuttosto che a forma di disco. Infatti, assomigliano molto alla forma delle galassie ellittiche vicine a noi oggi.

Hanno poi utilizzato simulazioni cosmologiche al computer per interpretare i risultati delle osservazioni e comprendere i meccanismi fisici che potrebbero aver causato l’affondamento di polvere e gas nei centri di queste lontane galassie in cui si formano stelle.

L’ analisi rivela che l’azione simultanea di flussi di gas freddo dalle galassie circostanti insieme alle interazioni e alle fusioni galattiche può spingere gas e polvere in nuclei compatti che formano stelle all’interno di queste galassie. Le simulazioni ci mostrano anche che questo processo era comune nell’universo primordiale, fornendo una spiegazione chiave per la rapida formazione di galassie ellittiche.

Le scoperte aggiungono un tassello fondamentale a questo puzzle, ampliando la nostra comprensione della formazione e dell’evoluzione delle galassie.

Una nuova tecnica di osservazione

Questa scoperta è stata resa possibile da una nuova tecnica per analizzare le osservazioni di ALMA. I dati di Alma sono diversi dalle immagini che siamo abituati a vedere dai telescopi ottici. Infatti, Alma funziona combinando segnali da più antenne che lavorano insieme come un singolo, gigantesco telescopio.

Questa tecnica è nota come interferometria e, sebbene consenta di ottenere immagini nitide di galassie distanti, l’analisi dei dati è più complessa rispetto alle immagini ottiche tradizionali. La nuova tecnica consente misurazioni più precise della distribuzione della polvere rispetto ai metodi precedenti, offrendo un significativo progresso in questo campo.

Per questa ricerca hanno utilizzato i dati Alma d’archivio e open-access accumulati nel corso di diversi anni. Ciò evidenzia la potenza dei dati open source, dove gli scienziati condividono le loro scoperte e le collaborazioni mondiali nel guidare le scoperte scientifiche.

Le future osservazioni con i telescopi spaziali JWST ed Euclid mapperanno ulteriormente la distribuzione delle stelle nei lontani antenati delle odierne galassie ellittiche. E l’ Extremely Large Telescope, con il suo specchio largo 39 metri, fornirà dettagli senza precedenti sui nuclei di formazione stellare nelle galassie distanti.

Inoltre, osservazioni più approfondite della dinamica del gas con ALma e il Very Large Telescope riveleranno come il gas si muove verso i centri delle galassie, alimentando la formazione stellare e dando forma alle galassie che vediamo oggi.