Un team di ricercatori coordinato da Fabian Walter dell’Istituto Max Planck per l’Astronomia (Germania), Roberto Decarli dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, Chris Carilli del National Radio Astronomy Observatory (USA) e Manuel Aravena dell’Universidad Diego Portales (Cile) ha ricostruito grazie alle osservazioni dell’osservatorio ALMA la storia della distribuzione dell’idrogeno molecolare nelle galassie, da due miliardi di anni dopo il Big Bang fino ai giorni nostri, nell’ambito del progetto ASPECS (The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field). Combinando i dati raccolti ad accurate simulazioni al calcolatore, è stato possibile caratterizzare e quantificare i flussi di gas che sono i prerequisiti necessari per la formazione delle stelle all’interno delle galassie.
Negli ultimi due decenni, le indagini del cielo profondo nella luce visibile e nell’infrarosso ci hanno fornito un quadro piuttosto completo del numero di stelle presenti nelle galassie in ogni epoca cosmica, dal primo miliardo di anni dopo il Big Bang fino ad oggi. Particolarmente importante in questo tipo di studi è stato l’Hubble Ultra deep Field (UDF): una piccola regione nel cielo, circa un decimo del diametro apparente della luna piena, dove il telescopio spaziale Hubble ha catturato centinaia di immagini con un tempo di esposizione totale di quasi 16 giorni. Lo studio delle galassie individuate nell’UDF e altre indagini simili portano a un quadro coerente della storia della formazione stellare, con la produzione di stelle che si è sviluppata fino a un vero e proprio boom circa 10 miliardi di anni fa, seguito da un continuo calo del tasso di formazione di nuove stelle. La metà degli astri dell’universo era già stata prodotta quando l’universo stesso aveva 4,5 miliardi di anni, un terzo dell’età attuale. Ma perché questo aumento e questo declino? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno sfruttato la potenza e sensibilità di ALMA per misurare nelle galassie presenti nell’UDF l’abbondanza di idrogeno molecolare, ovvero la materia prima delle stelle, in epoche differenti.
Una volta completate le osservazioni, il team ha raccolto i dati degli studi precedenti, ovvero quelli sull’idrogeno atomico e sulla massa totale di tutte le stelle in una data epoca, confrontando poi i risultati con simulazioni su larga scala della storia cosmica dal Big Bang ad oggi, riuscendo così a ricostruire la storia dell’approvvigionamento di idrogeno molecolare nel corso della storia cosmica – più precisamente: da circa 2 miliardi di anni dopo il Big Bang (quasi 12 miliardi di anni fa) ad oggi.
“Nella nostra ricostruzione, la quantità di idrogeno molecolare è aumentata costantemente fino a circa 10 miliardi di anni fa, circa 4 miliardi di anni dopo il Big Bang, con un valore che è quasi raddoppiato in tre miliardi di anni” spiega Decarli. “L’età dell’oro della formazione delle stelle, quindi, coincise con un’abbondanza di materia prima che aspettava solo di essere trasformata in soli fiammeggianti. Nell’epoca del picco di formazione stellare, c’era più o meno tanto idrogeno molecolare quanto di idrogeno atomico”.
Confrontando i loro dati con le simulazioni, gli astronomi hanno scoperto che ad alimentare quella forsennata produzione stellare era una combinazione di fattori. Le galassie sono solo la punta visibile dell’iceberg – la loro spina dorsale, per così dire, sono accumuli di materia oscura, materia che non interagisce con le radiazioni elettromagnetiche e quindi rimane invisibile alle osservazioni dirette. La materia oscura rappresenta circa l’80% di tutta la massa dell’universo. Così come quella ordinaria, la materia oscura, inizialmente distribuita in modo quasi perfettamente omogeneo nel cosmo poco dopo il Big Bang, è andata aggregandosi, diventando così sempre più disomogenea, a causa della reciproca attrazione gravitazionale. Nell’universo attuale, su una scala di centinaia di milioni di anni luce, la materia oscura forma una rete di filamenti simili a una spugna, punteggiata di regioni particolarmente dense, note come aloni. Le galassie formate da materia ordinaria, per lo più idrogeno gassoso, sono state trascinate in quegli aloni sotto la loro intensa attrazione gravitazionale: in primo luogo, il plasma precipita verso gli aloni dall’enorme serbatoio presente nello spazio intergalattico, raffreddandosi a formare atomi. Questo processo rifornisce di materia le galassie. Poi, nelle regioni centrali delle galassie stesse, l’idrogeno atomico si raffredda ulteriormente fino a formare idrogeno molecolare, e quindi stelle. Attraverso le osservazioni di ASPECS, Walter e i suoi colleghi sono stati in grado di quantificare questi flussi di gas in funzione del tempo cosmico.
“Guardando al futuro, mentre la crescita dell’alone rallenta e una quantità minore di plasma viene attratto nelle galassie, anche la produzione di stelle rallenta” spiega Decarli. “Al momento attuale, le galassie formano stelle ad un decimo del tasso di produzione legato al boom di formazione stellare. Il tasso di produzione di nuove stelle è in netto calo negli ultimi 9 miliardi di anni – aggiunge Decarli. Sulla base delle nostre osservazioni, prevediamo che la tendenza continui nei prossimi cinque miliardi di anni, i serbatoi di gas molecolare si dimezzeranno mentre la massa totale delle stelle nell’universo aumenterà di appena il 10%. In questo scenario, la produzione di stelle finirebbe per cessare del tutto”.
Lo studio sulla storia di formazione stellare è in corso di pubblicazione in due articoli sulla rivista The Astrophysical Journal:
The ALMA Spectroscopic Survey in the HUDF: Multi-band constraints on line luminosity functions and the cosmic density of molecular gas di Roberto Decarli, Manuel Aravena, Leindert Boogaard, Chris Carilli, Jorge Gonzalez-Lopez, Fabian Walter, Paulo C. Cortes, Pierre Cox, Elisabete da Cunha, Emanuele Daddi, Tanio Dıaz-Santos, Jacqueline A. Hodge, Hanae Inami, Marcel Neeleman, Mladen Novak, Pascal Oesch, Gergo Popping, Dominik Riechers, Ian Smail,Bade Uzgil, Paul van der Werf, Jeff Wagg e Axel Weiss
The Evolution of the Baryons Associated with Galaxies Averaged over Cosmic Time and Space di Fabian Walter, Chris Carilli, Marcel Neeleman, Roberto Decarli, Gergo Popping, Rachel S. Somerville, Manuel Aravena, Frank Bertoldi, Leindert Boogaard, Pierre Cox, Elisabete da Cunha, Benjamin Magnelli, Danail Obreschkow, Dominik Riechers, Hans–Walter Rix, Ian Smail, Axel Weiss, Roberto J. Assef, Franz Bauer, Rychard Bouwens, Thierry Contini, Paulo C. Cortes, Emanuele Daddi, Tanio Diaz-Santos, Jorge Gonzalez-Lopez, Joseph Hennawi, Jacqueline A. Hodge, Hanae Inami, Rob Ivison, Pascal Oesch, Mark Sargent, Paul van der Werf, Jeff Wagg e L. Y. Aaron Yung
Maggiori informazioni sul progetto ASPECS sono disponibili all’indirizzo: www.aspecs.info
