Rappresentazione artistica di un progenitore di galassie simili alla Via Lattea nell'universo primordiale con un quasar sullo sfondo che brilla attraverso un "super alone" di gas idrogeno che circonda la galassia. Nuove osservazioni di ALMA su due di queste galassie rivelano che questi vasti aloni si estendono ben oltre il polveroso, dischi formanti stelle. Le galassie sono state inizialmente trovate per assorbimento della luce quasar di fondo che passa attraverso le galassie. ALMA è stata in grado di visualizzare il carbonio ionizzato nei dischi delle galassie, rivelando dettagli cruciali sulle loro strutture. Credito:A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)
Per decenni, gli astronomi hanno trovato galassie lontane rilevando il modo caratteristico in cui il loro gas assorbe la luce da un quasar luminoso sullo sfondo. Ma gli sforzi per osservare la luce emessa da queste stesse galassie sono stati per lo più infruttuosi. Ora, un team di astronomi che utilizza l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Cile ha osservato le emissioni di due galassie lontane inizialmente rilevate dalle loro firme di assorbimento dei quasar, e i risultati non furono quelli che si aspettavano.
Per una cosa, le emissioni guidate dalla formazione stellare nelle galassie erano separate da una distanza sorprendente dal gas denso rivelato dall'assorbimento dei quasar, indicando che le galassie sono immerse in un alone esteso di gas idrogeno. Anche i tassi di formazione stellare stimati erano inaspettatamente alti.
"Ci aspettavamo di vedere deboli emissioni proprio sopra il quasar, e invece abbiamo visto galassie luminose a grandi separazioni dal quasar, " ha detto J. Xavier Prochaska, professore di astronomia e astrofisica presso la UC Santa Cruz e coautore di un articolo sulle nuove scoperte pubblicato il 24 marzo in Scienza .
Il gas idrogeno neutro rivelato dal suo assorbimento di luce quasar è molto probabilmente parte di un grande alone o disco di gas esteso intorno alla galassia, ha detto il primo autore Marcel Neeleman, un borsista post-dottorato presso l'UC Santa Cruz. "Non è dove si trova la formazione stellare, e vedere così tanto gas che lontano dalla regione di formazione stellare significa che c'è una grande quantità di idrogeno neutro intorno alla galassia, " Ha detto Neeleman. "Non sappiamo se è in un grande, disco esteso di gas che sta cadendo dentro, o se è solo un alone di gas molto denso intorno alla galassia."
L'assorbimento della luce da un quasar di fondo rivela le concentrazioni di gas idrogeno neutro nei sistemi "lyman-alfa smorzati". Nuove osservazioni di due sistemi hanno rivelato le galassie associate. Come si vede in questa immagine a falsi colori, il gas viene rilevato a una distanza sorprendente dalla regione di formazione stellare, che indica un grande alone o un disco esteso di gas intorno alla galassia. In questo sistema, la separazione è di circa 137, 000 anni luce (42 kiloparsec). Credito:M. Neeleman
Lo spettro di emissione di una delle galassie indica la presenza di un disco rotante, ha notato Prochaska. "Queste galassie sembrano essere enormi, polveroso, e sistemi di rapida formazione stellare, con grande, estesi strati di gas, " ha detto. "Queste osservazioni ci danno una visione formidabile di come apparivano le galassie come la nostra Via Lattea 13 miliardi di anni fa".
Per Prochaska, il documento rappresenta il culmine di una ricerca iniziata nel 2003 con il suo dottorato di ricerca. consulente presso UC San Diego, il compianto Arthur M. Wolfe (anch'esso coautore dell'articolo). Wolfe ha aperto la strada all'uso degli spettri quasar per studiare le concentrazioni di gas idrogeno neutro nell'universo distante, noti come sistemi Lyman-alfa smorzati (DLA) per le caratteristiche caratteristiche di assorbimento che il gas idrogeno imprime sulla luce del quasar di fondo. Wolfe ha anche visto il potenziale per ALMA di rilevare le emissioni di questi sistemi molto prima del completamento dell'osservatorio radio nel 2011.
"Lo volevamo fare da 14 anni, " Ha detto Prochaska. "Il 'Santo Graal' è stato quello di identificare e studiare le galassie che ospitano il gas idrogeno che vediamo negli spettri quasar, e ci voleva una struttura con le capacità di ALMA per farlo."
I ricercatori hanno usato ALMA per cercare le firme di emissione nel lontano infrarosso dalle galassie che sapevano potevano essere distinte dalla luce brillante dei quasar. Il carbonio ionizzato emette una riga spettrale brillante a una lunghezza d'onda caratteristica nell'infrarosso (158 micron), che gli astronomi possono usare come tracciante della struttura galattica nell'universo distante. I ricercatori hanno anche osservato emissioni di polvere nel lontano infrarosso, che ha permesso loro di stimare i tassi di formazione stellare.
L'assorbimento della luce da un quasar di fondo rivela le concentrazioni di gas idrogeno neutro nei sistemi "lyman-alfa smorzati". Nuove osservazioni di due sistemi hanno rivelato le galassie associate. Come si vede in questa immagine a falsi colori, il gas viene rilevato a una distanza sorprendente dalla regione di formazione stellare, che indica un grande alone o un disco esteso di gas intorno alla galassia. In questo sistema, la separazione è di circa 59, 000 anni luce (18 kiloparsec). Credito:M. Neeleman
L'array configurabile di antenne radio di ALMA ha permesso agli astronomi di concentrare la loro ricerca sulle emissioni delle galassie nell'area intorno a ciascuno dei due DLA, situato a una distanza di circa 13 miliardi di anni luce. Da quella distanza, la luce che ora raggiunge i telescopi offre agli astronomi uno sguardo a uno stadio iniziale della formazione delle galassie, circa 1 miliardo di anni dopo il big bang.
"Questa è l'epoca in cui le galassie stavano davvero iniziando a decollare in termini di formazione stellare, una sorta di scatto di crescita adolescenziale prima di raggiungere il picco della formazione stellare circa 2 miliardi di anni dopo, " Disse Prochaska.
Le osservazioni indicano che entrambe le galassie stanno formando stelle a velocità moderatamente elevate, con un tasso di formazione stellare superiore a 100 masse solari all'anno per una galassia e circa 25 masse solari all'anno per l'altra. La separazione dal quasar è stata di circa 137, 000 anni luce (42 kiloparsec) per una galassia e circa 59, 000 anni luce (18 kiloparsec) per l'altro.
Secondo Neeleman, gli astronomi hanno ipotizzato che rilevare la luce emessa dalle galassie che ospitano i DLA sia difficile perché è nascosta nella luce intensa dei quasar di fondo. Data la grande separazione di queste galassie dai quasar associati, però, può darsi che siano invece oscurati dalla polvere, Egli ha detto. Con ALMA, i ricercatori sono stati in grado di rilevare la luce delle stelle assorbita e reirradiata a lunghezze d'onda maggiori dalla polvere.
Prochaska ha detto che non vede l'ora di ottenere osservazioni simili su un campione di galassie molto più grande nei prossimi anni.
