La distribuzione delle galassie nella regione del proto-superammasso 11,5 miliardi di anni fa (in alto a sinistra), e l'immagine Suprime-Cam del telescopio Subaru usata in questo lavoro (a destra, immagine ingrandita). La distribuzione dell'idrogeno neutro è sovrapposta all'immagine Subaru. Il colore rosso indica le regioni più dense del gas idrogeno neutro. I quadrati ciano corrispondono alle galassie membri nel proto-superammasso, mentre gli oggetti senza quadrati ciano sono galassie e stelle in primo piano. La distribuzione del gas idrogeno neutro non si allinea perfettamente con le galassie. Credito:Università di Osaka Sangyo / NAOJ
Un team guidato da ricercatori dell'Università Sangyo di Osaka, con i membri della Tohoku University, Agenzia giapponese per l'esplorazione aerospaziale (JAXA) e altri, ha utilizzato la Suprime-Cam sul telescopio Subaru per creare la mappa più ampia del gas idrogeno neutro nell'universo primordiale. Questa nube appare ampiamente diffusa su 160 milioni di anni luce all'interno e intorno a una struttura chiamata proto-superammasso. È la struttura più grande del lontano universo, ed esisteva circa 11,5 miliardi di anni fa. Una nuvola di gas così grande è estremamente preziosa per studiare la formazione di strutture su larga scala e l'evoluzione delle galassie dal gas nell'universo primordiale, e merita ulteriori approfondimenti.
"Siamo sorpresi perché la struttura del gas denso è estesa molto più del previsto nel proto-superammasso, " ha detto il dottor Mawatari. "Sono necessarie osservazioni sul campo più ampio con filtri a banda stretta per cogliere un quadro completo di questa più grande struttura nel giovane Universo. Questo è esattamente il tipo di forte ricerca che si può fare con la Hyper Suprime-Cam (HSC) recentemente montata al Subaru Telescope. Intendiamo studiare la relazione gas-galassia in vari proto-superammassi utilizzando l'HSC".
Comprendere la distribuzione della materia nell'universo
Stelle assemblate per formare galassie, e le galassie sono raggruppate per formare strutture più grandi come ammassi o superammassi. La materia nell'universo attuale è strutturata in maniera gerarchica su scale di ~ 100 milioni di anni luce. Però, non possiamo osservare strutture disomogenee in nessuna direzione o distanza su scale maggiori di quella. Una questione importante nell'astronomia moderna è chiarire come sia perfettamente mantenuta l'uniformità e l'omogeneità su larga scala nella distribuzione della materia. Inoltre, gli astronomi cercano di studiare le proprietà dei semi di strutture su larga scala (cioè, le fluttuazioni iniziali della materia) che esisteva all'inizio dell'universo. Così, è importante osservare strutture enormi in varie epoche (che si traduce in distanze). Lo studio della materia gassosa e delle galassie è necessario per una comprensione accurata e completa. Questo perché i superammassi locali sono noti per essere ricchi di gas. Per di più, è chiaro che ci sono molte galassie appena nate in ammassi antichi (o lontani). Un confronto dettagliato tra le distribuzioni spaziali delle galassie e del gas durante le prime epoche dell'universo è molto importante per comprendere il processo di formazione delle galassie dai deboli gruppi di gas (a bassa emissione di luce) nell'universo primordiale.
Immagini schematiche di uno schema di analisi del lavoro precedente (a sinistra) e un nuovo metodo (a destra). Nell'approccio precedente, fondamentalmente è possibile utilizzare un'unica fonte di luce di fondo (quasar) in un'area di ricerca. D'altra parte, con il nuovo schema, è più facile risolvere spazialmente la densità del gas idrogeno neutro utilizzando molte galassie normali in un'area ricercata come sorgenti di luce di fondo. Nel nuovo schema, la forza di assorbimento da parte del gas idrogeno neutro è stimata misurando quanto flusso delle galassie di fondo si attenua nell'immagine a banda stretta, non usando lo spettro. Combinando questo schema con la capacità di imaging ad ampia area del telescopio Subaru, Mawatari, et al. ha realizzato la mappa più ampia di gas idrogeno neutro mai creata. Credito:Credito:Osaka Sangyo University / NAOJ
Per indagare in anticipo, fioche nuvole di gas, gli astronomi approfittano del fatto che la luce proveniente da oggetti luminosi distanti viene attenuata dal gas in primo piano (dando un effetto simile a un "quadro d'ombra"). Poiché l'idrogeno neutro nella nube di gas assorbe e attenua la luce dagli oggetti sullo sfondo a una certa lunghezza d'onda, possiamo vedere la caratteristica caratteristica di assorbimento nello spettro dell'oggetto di sfondo. In molte osservazioni precedenti, i ricercatori hanno usato i quasar (che sono molto luminosi e distanti) come fonti di luce di fondo. Poiché i quasar luminosi sono molto rari, le opportunità per tali osservazioni sono limitate. Ciò consente agli astronomi di ottenere informazioni sul gas che si trova solo lungo la linea di vista tra un singolo QSO e la Terra in un'ampia area di rilevamento. È stato a lungo l'obiettivo di ottenere informazioni "multidimensionali" sul gas (ad es. risolvere spazialmente le nuvole di gas) piuttosto che la vista "unidimensionale" attualmente disponibile. Ciò richiede un nuovo approccio.
Espansione della vista
Per ampliare la loro visione di questi oggetti nell'universo primordiale, Il Dr. Ken Mawatari dell'Osaka Sangyo University ei suoi colleghi hanno recentemente sviluppato uno schema per analizzare la distribuzione spaziale del gas idrogeno neutro utilizzando dati di imaging di galassie di epoche lontane. Ci sono due grandi vantaggi in questo approccio. Primo, invece di rari quasar, il team utilizza numerose galassie normali come fonti di luce di fondo per studiare la distribuzione del gas in vari punti dell'area di ricerca. Secondo, usano i dati di imaging presi con il filtro a banda stretta su Suprime-cam. È messo a punto in modo che la luce con determinate lunghezze d'onda possa essere trasmessa, per catturare prove di assorbimento da parte del gas idrogeno neutro (l'effetto dell'immagine ombra). Rispetto al tradizionale schema di osservazione basato sulla spettroscopia dei quasar, questo nuovo metodo consente a Mawatari e ai suoi collaboratori di ottenere informazioni sulla distribuzione del gas su un'ampia area in tempi relativamente brevi.
I ricercatori hanno applicato il loro schema ai dati di imaging di Subaru Telescope Suprime-Cam presi nella loro precedente ampia indagine sulle galassie. I campi studiati in questo lavoro includono il campo SSA22, un antenato di un superammasso di galassie (proto-superammasso), dove si formano attivamente le giovani galassie, nell'universo 11,5 miliardi di anni fa nell'universo primordiale.
Distribuzione in cielo del gas idrogeno neutro nei tre campi studiati in questo lavoro. Mentre nei campi normali (SXDS e GOODS-N) la densità dell'idrogeno neutro è coerente con la densità media dell'intero universo a 11,5 miliardi di anni fa, la densità del gas idrogeno neutro è superiore alla media sull'intero campo di proto-superammasso SSA22. I contorni corrispondono alla densità numerica delle galassie. Grassetto, solido sottile, e i contorni tratteggiati indicano la media, alta densità, e regioni a bassa densità, rispettivamente. Credito:Università di Osaka Sangyo / NAOJ
Nuove mappe della distribuzione neutra dell'idrogeno
Il lavoro dei ricercatori ha portato a mappe di un'area molto ampia del gas idrogeno neutro nei tre campi studiati. Sembra che l'assorbimento del gas idrogeno neutro sia significativamente forte sull'intero campo del proto-superammasso SSA22 rispetto a quelli nei campi normali (SXDS e GOODS-N). È chiaramente confermato che l'ambiente del proto-superammasso è ricco di gas idrogeno neutro, che è il principale elemento costitutivo delle galassie.
Il lavoro del team ha anche rivelato che la distribuzione del gas nella regione del proto-superammasso non si allinea perfettamente con la distribuzione delle galassie. Mentre il proto-superammasso è ricco sia di galassie che di gas, non esiste una dipendenza su scala locale della quantità di gas correlata alla densità delle galassie all'interno del proto-superammasso. Questo risultato può significare che il gas idrogeno neutro non solo è associato alle singole galassie, ma si diffonde anche diffusamente nello spazio intergalattico solo all'interno del proto-superammasso. Poiché l'eccesso di gas idrogeno neutro nel campo SSA22 viene rilevato su tutta l'area ricercata, questa struttura a gas sovradensa si estende in realtà per oltre 160 milioni di anni luce. Nella visione tradizionale della formazione della struttura, si pensa che la fluttuazione della densità della materia sia più piccola e che la struttura ad alta densità su larga scala fosse più rara nell'universo primordiale. La scoperta che una struttura di gas che si estende per oltre 160 milioni di anni luce (che è all'incirca la stessa scala dei superammassi attuali) esisteva già nell'universo 11,5 miliardi di anni fa è un risultato sorprendente di questo studio.
Indagando la distribuzione spaziale del gas idrogeno neutro in un'area molto ampia, i ricercatori hanno fornito una nuova finestra sulla relazione tra gas e galassie nel giovane universo. L'enorme struttura di gas SSA22 rivelata da questo lavoro è considerata un oggetto chiave per testare la teoria standard della formazione della struttura, e quindi sono previste ulteriori indagini.
