Figura 1:Una vista ravvicinata dell'ammasso di galassie osservato. L'immagine è un insieme dei dati in banda i (in rosso) dalla Hyper Suprime-Cam del telescopio Subaru e delle immagini in banda R (in verde) e banda V (in blu) dal telescopio Mayall di 4 m a il Kitt Peak National Observatory of National Optical Astronomy Observatory. Le curve di livello mostrano la distribuzione di massa. I cerchi rossi e blu mostrano le galassie che hanno interrotto la formazione stellare e le galassie con formazione stellare, rispettivamente. Il team di ricerca è stato in grado di studiare l'evoluzione della struttura su larga scala nell'Universo confrontando la distribuzione di massa nell'Universo e la distribuzione delle galassie. Credito:Università di Hiroshima/NAOJ
Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Hiroshima ha rivelato un quadro della frazione crescente di galassie massicce che formano stelle nell'universo lontano. Enormi galassie che formano stelle nel lontano universo, circa 5 miliardi di anni fa, tracciare una struttura su larga scala nell'universo. Nell'universo vicino, circa 3 miliardi di anni fa, galassie massicce che formano stelle non sono evidenti. Questo cambiamento nel modo in cui le galassie che formano le stelle tracciano la distribuzione della materia è coerente con il quadro dell'evoluzione delle galassie stabilito da altri studi indipendenti.
Le galassie nell'universo tracciano schemi su scale molto grandi; ci sono grandi regioni vuote (chiamate "vuoti") e regioni dense dove esistono le galassie. Questa distribuzione è chiamata rete cosmica. Le concentrazioni più massicce di galassie sono ammassi. La formazione della rete cosmica è governata dall'azione della gravità sull'invisibile misteriosa "materia oscura" che esiste in tutto l'universo. Il normale materiale barionico che si vede cade negli aloni di materia oscura e forma galassie. L'azione della gravità su circa 14 miliardi di anni di storia dell'universo fa raggruppare gli aloni. La posizione delle galassie o degli ammassi in questa enorme rete cosmica mette alla prova la nostra comprensione del modo in cui la struttura si forma nell'universo.
Sempre più, osservazioni più profonde ed estese con telescopi come il Subaru Telescope forniscono un'immagine più chiara del modo in cui le galassie si evolvono all'interno della rete cosmica. Certo, non si può vedere direttamente la materia oscura. Però, si possono usare le galassie che si vedono per tracciare la materia oscura. È anche possibile utilizzare il modo in cui la gravità degli ammassi di galassie distorce le galassie di fondo più distanti, lente gravitazionale debole, come un altro tracciante.
Figura 2:Distribuzione della massa (sinistra) e delle galassie (destra) nell'area corrispondente. La caratteristica cospicua nella distribuzione delle galassie è visibile anche nella parte sinistra, distribuzione di massa, mentre le aree senza struttura a destra non hanno nessuna caratteristica anche a sinistra. Credito:Università di Hiroshima/NAOJ
Il gruppo di Hiroshima ha combinato questi due traccianti:le galassie e il loro debole segnale di lente per mappare il ruolo mutevole delle enormi galassie che formano stelle mentre l'universo si evolve.
La lente debole è un fenomeno che fornisce una tecnica potente per mappare il contributo mutevole delle galassie che formano stelle come traccianti della rete cosmica. L'ammasso di galassie e l'alone di materia oscura circostante agiscono come una lente gravitazionale. La lente piega la luce che passa dalle galassie più lontane e ne distorce le immagini. Le distorsioni dell'aspetto delle galassie sullo sfondo forniscono un'immagine bidimensionale della distribuzione della materia oscura in primo piano che funge da enorme lente. L'eccellente immagine del telescopio Subaru che copre vaste regioni del cielo fornisce esattamente i dati necessari per costruire mappe di questa debole lente.
Dottor Yousuke Utsumi, un membro del team di costruzione di Hyper Suprime-Cam e un assistente professore di progetto presso l'Università di Hiroshima, ha condotto un'osservazione di 1 ora di una porzione di cielo di 4 gradi in direzione della costellazione del Cancro. La Figura 1 mostra una vista ravvicinata di un ammasso di galassie con la mappa di lente debole che traccia la distribuzione della materia. I picchi più alti nelle mappe corrispondono ai massicci ammassi di galassie in primo piano che si trovano a 5 miliardi di anni luce di distanza.
Figura 3:La distribuzione delle galassie rispetto alla distanza. I pannelli mostrano la distribuzione tridimensionale delle galassie, visto dall'osservatore sulla Terra. I punti rossi rappresentano galassie quiescenti e i punti blu sono galassie che formano stelle. I riquadri nel cono distano 3 e 5 miliardi di anni luce dall'osservatore. Le mappe accanto alle aree racchiuse mostrano la corrispondente distribuzione delle galassie. Credito:Università di Hiroshima/NAOJ
Per mappare la distribuzione tridimensionale delle galassie in primo piano, spettrografi su grandi telescopi come l'MMT da 6,5 metri disperdono la luce con un reticolo. L'espansione dell'universo sposta la luce verso il rosso e misurando questo spostamento si misurano le distanze delle galassie. L'uso della spettroscopia colloca le galassie nella rete cosmica. Le osservazioni individuano le galassie che formano stelle e quelle che non stanno più formando stelle.
I collaboratori guidati dalla dott.ssa Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) hanno condotto misurazioni spettroscopiche per le galassie. Lo strumento Hectospec sulla MMT consente misurazioni di redshift per 250 galassie alla volta. Il sondaggio contiene misurazioni per 12, 000 galassie.
L'indagine MMT redshift fornisce la mappa per il modo in cui tutti i tipi di galassie potrebbero contribuire alla mappa del lensing debole. Poiché il rilevamento MMT fornisce le distanze delle galassie, si possono anche realizzare sezioni della mappa a distanze diverse corrispondenti a diverse epoche della storia dell'universo e confrontarle con la mappa di lensing.
Figura 4:Primi piani dell'ammasso di galassie a 3 miliardi di anni luce (in alto) e 5 miliardi di anni luce (in basso). Questi pannelli mostrano la distribuzione della massa (a sinistra), galassie quiescenti (al centro), e galassie formanti stelle (a destra), rispettivamente. Tre miliardi di anni fa, è difficile vedere alcuna somiglianza tra le galassie che formano stelle e la distribuzione di massa, ma c'è una somiglianza molto maggiore nelle mappe di 5 miliardi di anni fa. Credito:Università di Hiroshima/NAOJ
L'indagine MMT fornisce una mappa prevista della rete cosmica basata sulle posizioni delle galassie nello spazio tridimensionale. Il team di ricerca ha confrontato questa mappa con la mappa della lente debole per scoprire le somiglianze. La Figura 2 mostra che sia il picco più alto che le regioni vuote più grandi sono simili nelle due mappe. In altre parole, la distribuzione della materia tracciata dalle galassie in primo piano e la distribuzione tracciata dalla mappa di lente debole di Subaru sono simili. Ci sono due visioni complementari della rete cosmica in questa zona dell'universo.
Se suddividono la mappa tridimensionale in diversi redshift o intervalli di tempo, possono esaminare il modo in cui cambia la corrispondenza tra queste mappe e la mappa del lensing debole per le diverse sezioni (Figura 3). Sorprendentemente, la distribuzione delle galassie che formano stelle attorno a un ammasso di galassie nell'universo più distante (5 miliardi di anni fa) corrisponde molto più strettamente alla mappa della lente debole che a una fetta dell'universo più vicino (3 miliardi di anni fa). In altre parole, il contributo delle galassie che formano stelle alla rete cosmica è più importante nell'universo lontano. Queste mappe sono la prima dimostrazione di questo effetto nel segnale di lente debole (Figura 4).
Il team di ricerca fornisce una nuova finestra sull'evoluzione delle galassie confrontando la distribuzione tridimensionale delle galassie mappata con un rilevamento dello spostamento verso il rosso che include galassie che formano stelle con una mappa di lenti deboli basata sull'imaging di Subaru.
"Si scopre che il contributo delle galassie che formano stelle come traccianti della distribuzione di massa nell'universo lontano non è trascurabile, " ha detto il dottor Utsumi. "La mappa di lente debole dell'HSC dovrebbe contenere segnali provenienti da galassie più distanti nell'universo di 8 miliardi di anni. Indagini più profonde del redshift combinate con simili mappe di lenti deboli dovrebbero rivelare un contributo ancora maggiore delle galassie che formano stelle come traccianti della distribuzione della materia in questo intervallo di redshift più elevato. Utilizzando lo spettrografo di nuova generazione per il telescopio Subaru, Spettrografo con messa a fuoco primaria (PFS), speriamo di estendere le nostre mappe all'era interessante."
