Miguel Pereira Santaella, Research Associate presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford, discute il suo lavoro appena pubblicato osservando le transizioni dell'acqua nello spazio mai viste prima. Spiega come la scoperta aiuterà gli scienziati a rispondere a grandi domande planetarie e a costruire una comprensione più accurata dell'universo.

Dalle nuvole ai fiumi, e ghiacciai agli oceani, l'acqua è ovunque sulla Terra. Ciò che è meno noto, anche se, è quanto è abbondante la molecola nello spazio.

A differenza della Terra, la maggior parte dell'acqua nello spazio assume la forma di vapore o forma mantelli di ghiaccio attaccati ai granelli di polvere interstellare. Questo perché la densità estremamente bassa dello spazio interstellare, che è trilioni di volte inferiore a quella dell'aria, impedisce la formazione di acqua liquida. la nascita di formazioni stellari può dirci come si comporta l'Universo. Ma, poiché l'unico modo per studiarli in ambienti così oscurati dalla polvere è attraverso la luce infrarossa, rilevamento delle transizioni d'acqua in grado di rilevare questa luce, è di vitale importanza.

Le molecole d'acqua sperimentano livelli di energia quantica fluttuanti. Questa attività ci permette di osservarli ed è conosciuta come transizione dell'acqua. Il termine si riferisce al punto migliore per l'osservazione scientifica, che è l'esatta lunghezza d'onda alla quale le molecole d'acqua passano da uno stato quantistico all'altro, emettendo luce e aumentando la loro visibilità mentre lo fanno.

La maggior parte di queste transizioni non sono molto energetiche, quindi appaiono nelle gamme del lontano infrarosso e sub-millimetrico dello spettro elettromagnetico, con lunghezze d'onda minuscole (che vanno da 50 μm e 1000 μm (1 mm)). Osservare queste transizioni d'acqua dal suolo è molto difficile perché il vapore denso nell'atmosfera terrestre blocca quasi completamente l'emissione alla vista.

I miglioramenti nella tecnologia e lo sviluppo di super telescopi offrono un accesso crescente all'universo, e le intuizioni planetarie si stanno muovendo a un ritmo rapido. Ora possiamo rilevare le transizioni dell'acqua in modi che prima non riuscivamo a fare. Si vedono meglio da osservatori telescopici situati ad alta quota, in siti estremamente secchi. Come, l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA), che si trova nel deserto di Atacama (Cile) a 5000 m sul livello del mare.

Nel nostro studio pubblicato su Astronomia e astrofisica , abbiamo usato ALMA e rilevato la transizione dell'acqua (670 μm) nello spazio, per la prima volta. Le molecole sono state individuate in una vicina galassia a spirale (distante 160 milioni di anni luce) in un punto in cui l'Universo è enormemente espanso, e l'atmosfera è quindi nella sua massima trasparenza (red-shift a 676 μm).

L'emissione di vapore acqueo in questa galassia ha origine nel suo nucleo, nel suo nucleo, dove avviene la maggior parte della formazione stellare. Per darti un'idea di quanto sia enorme questa galassia, il nucleo contiene una quantità equivalente di acqua 30 trilioni di volte quella degli oceani della Terra messi insieme, e ha un diametro 15 milioni di volte la distanza dalla Terra al Sole.

Quindi cosa distingue questa transizione dell'acqua dalle altre osservate in passato? La nostra analisi ha rivelato che queste molecole d'acqua intensificano il loro tasso di emissione quando entrano in contatto con i fotoni della luce infrarossa. Questo aumento dell'attività rende più facile per gli scienziati osservarli. Le molecole d'acqua sono maggiormente attratte dai fotoni con lunghezze d'onda specifiche di 79 e 132 μm, quale, quando assorbito, rafforzare il profilo della transizione, quindi aumentandone la visibilità. Per questa ragione, questa specifica transizione dell'acqua ha la capacità di mostrarci l'intensità della luce infrarossa nel nucleo delle galassie, a scale spaziali molto più piccole di quelle consentite dalle osservazioni dirette all'infrarosso.

La luce infrarossa viene prodotta durante eventi come la crescita di buchi neri supermassicci o esplosioni estreme di formazione stellare. Questi eventi di solito si verificano in ambienti estremamente oscurati dalla polvere, dove la luce ottica è quasi completamente assorbita dai granelli di polvere. L'energia assorbita dai grani aumenta la loro temperatura e iniziano ad emettere radiazioni termiche nell'infrarosso.

Catturare questi eventi può dirci molto su come si comporta l'Universo. Ma, poiché l'unico modo per studiarli in ambienti così oscurati dalla polvere è attraverso la luce infrarossa, rilevando le transizioni dell'acqua che catturano questa luce infrarossa, è vitale.

Andando avanti abbiamo in programma di osservare questa transizione dell'acqua in più galassie dove la polvere blocca tutta la luce ottica. Questo rivelerà cosa si nasconde dietro questi schermi di polvere e ci aiuterà a capire come le galassie si evolvono dalle spirali di formazione stellare, come la Via Lattea, alle galassie ellittiche morte dove non si formano nuove stelle.