Immagine a colori della galassia C1-23152 a redshift z=3.352, quando l'universo aveva 1,8 miliardi di anni. L'immagine è la somma di tre immagini a diverse lunghezze d'onda scattate con il telescopio spaziale Hubble. C1-23152 appare una galassia sferoidale regolare, il suo profilo luminoso corrisponde a quello delle tipiche galassie ellittiche dell'universo locale. La sua massa stellare è di circa 200 miliardi di stelle come il sole e si è formata in meno di 500 milioni di anni. Crediti:Istituto Nazionale di Astrofisica
Così giovane e già così evoluto:grazie alle osservazioni ottenute al Large Binocular Telescope, un team internazionale di ricercatori coordinati da Paolo Saracco dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italia) è stato in grado di ricostruire la selvaggia storia evolutiva di una galassia estremamente massiccia esistita 12 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 1,8 miliardi di anni, meno del 13% della sua età attuale. questa galassia, soprannominato C1-23152, formato in soli 500 milioni di anni, un tempo incredibilmente breve per dare origine a una massa di circa 200 miliardi di soli. Fare così, produceva fino a 450 stelle all'anno, più di uno al giorno, un tasso di formazione stellare quasi 300 volte superiore a quello attuale nella Via Lattea. Le informazioni ottenute da questo studio saranno fondamentali per i modelli di formazione delle galassie per oggetti di cui è attualmente difficile rendere conto.
Le galassie più massicce dell'universo raggiungono masse diverse centinaia di miliardi di volte quella del sole, e sebbene numericamente siano solo un terzo di tutte le galassie, contengono più del 70% delle stelle dell'universo. Per questa ragione, la velocità con cui si sono formate queste galassie e le dinamiche coinvolte sono tra le questioni più dibattute dell'astrofisica moderna. L'attuale modello di formazione delle galassie, il cosiddetto modello gerarchico, prevede che le galassie più piccole si siano formate prima, mentre sistemi più massicci si sono formati in seguito, attraverso successive fusioni delle galassie più piccole preesistenti.
D'altra parte, alcune delle proprietà delle galassie più massicce osservate nell'universo locale, come l'età delle loro popolazioni stellari, suggeriscono invece che si siano formati nelle prime epoche. Sfortunatamente, la varietà di fenomeni evolutivi che le galassie possono subire durante la loro vita non consente agli astronomi di definire il modo in cui si sono formate, lasciando ampi margini di incertezza. Però, una risposta a queste domande può venire dallo studio delle proprietà delle galassie massicce nell'universo primordiale, il più vicino possibile al momento in cui hanno formato la maggior parte della loro massa.
Spettro della galassia C1-23152. Crediti:Istituto Nazionale di Astrofisica
Diciassette ore di osservazioni spettroscopiche della galassia ellittica C1-23152 con il Large Binocular Telescope (LBT) hanno permesso al team di Saracco di ricostruire la sua storia evolutiva in un periodo in cui l'universo era inferiore al 13% della sua età attuale. "I dati mostrano che il tempo di formazione di C1-23152, questo è, il tempo trascorso tra la formazione delle prime stelle dal gas preesistente al momento in cui la formazione stellare era quasi completamente cessata, è inferiore a 500 milioni di anni, "dice Paolo Saracco, ricercatore all'INAF di Milano e primo autore dell'articolo pubblicato su Il Giornale Astrofisico . "Anche, dai dati raccolti con LBT, siamo riusciti a stabilire che in questo breve tempo, corrispondente a meno di quattro centesimi dell'età dell'universo, la galassia formava una massa pari a circa 200 miliardi di stelle come il sole, questo è, circa 450 soli all'anno. La nostra galassia, la via Lattea, ora forma non più di due all'anno, " aggiunge Danilo Marchesini, professore ordinario alla Tufts University e secondo autore dell'articolo. Inoltre, la grande quantità di informazioni raccolte ha permesso al team di quantificare l'abbondanza di elementi chimici più pesanti dell'elio (la cosiddetta metallicità) per la prima volta in una galassia così lontana:le stelle di questa galassia hanno, sorprendentemente, una metallicità superiore a quella del sole, simile a quello osservato oggi nelle galassie più massicce dell'universo.
"Queste osservazioni hanno mostrato che la formazione delle galassie più massicce dell'universo può avvenire in modo estremamente rapido, attraverso un processo di formazione stellare estremamente intenso nell'universo primordiale, come per C1-23152, "dice Francesco La Barbera, ricercatore presso l'INAF di Napoli.
Probabile scenario di formazione di galassie ellittiche massicce come C1-23152. Enormi nubi di gas primordiali, cadendo nella stessa regione sotto l'effetto della forza gravitazionale, collidono innescando processi di formazione stellare violenti e massicci. Si prevede che la fase starburst durerà poche centinaia di milioni di anni durante i quali si formano da centinaia a migliaia di stelle all'anno, come per C1-23152. L'enorme galassia ellittica risultante si evolverà poi con il tempo, forse sperimentando diversi fenomeni evolutivi. Crediti:Istituto Nazionale di Astrofisica
"Capire se lo scenario che descrive la formazione di C1-23152 sia un caso particolare o se, anzi, è ciò che accade per la maggior parte delle galassie più massicce dell'universo, è di fondamentale importanza, poiché ciò richiederebbe una profonda revisione dei modelli di formazione delle galassie, " aggiunge Adriana Gargiulo, anche ricercatore presso l'INAF di Milano e coautore dello studio.
Questa immagine mostra un esempio di galassie starburst che formano circa un migliaio di stelle all'anno al momento dell'osservazione. Questa fase è molto probabilmente la fase di formazione di galassie massicce nell'universo primordiale, come C1-23152. Crediti:Istituto Nazionale di Astrofisica
La formazione di masse stellari così elevate come per C1-23152 richiede sia elevate masse di gas per convertirsi in stelle sia particolari condizioni fisiche. Un possibile scenario ipotizzato dai ricercatori è che massicce nubi di gas primordiali, cadendo sotto l'effetto della forza gravitazionale nella stessa regione, scontrarsi, innescando processi di formazione stellare violenti e massicci. Dal punto di vista osservativo, i precursori delle galassie più massicce potrebbero quindi essere galassie remote con un tasso di formazione stellare molto alto.
"Per verificare le nostre ipotesi, determinanti saranno le osservazioni che la prossima generazione di strumentazioni ci permetterà di effettuare, in particolare, il James Webb Space Telescope (JWST) che sarà lanciato in orbita alla fine del 2021, e l'Extremely Large Telescope (ELT), il più grande telescopio terrestre mai costruito, con uno specchio principale di 39 metri di diametro, che sarà operativo nel 2026, " conclude Saracco.
