La galassia Messier 77 (M77) è famosa per il suo nucleo superattivo che rilascia un'enorme energia attraverso lo spettro elettromagnetico, che vanno dai raggi X alle lunghezze d'onda radio. Ancora, nonostante il suo nucleo altamente attivo, la galassia sembra una normale spirale tranquilla. Non c'è alcun segno visivo di ciò che sta causando un'irradiazione così estesa della sua regione centrale. È stato a lungo un mistero il motivo per cui solo il centro di M77 è così attivo. Gli astronomi sospettano un evento di molto tempo fa che coinvolge un buco nero che affonda, che avrebbe potuto dare una marcia in più al nucleo.

Per testare le loro idee sul perché la regione centrale di M77 irradia enormi quantità di radiazioni, un team di ricercatori del National Astronomical Observatory of Japan e della Open University of Japan ha utilizzato il telescopio Subaru per studiare M77. L'immagine profonda senza precedenti della galassia rivela le prove di una fusione minore nascosta miliardi di anni fa. La scoperta fornisce prove cruciali per l'origine di fusione minore dei nuclei galattici attivi.

Il mistero delle galassie di Seyfert

La galassia Messier 77 (NGC 1068) è famosa per ospitare al suo interno un nucleo attivo che rilascia un'enorme quantità di energia. L'esistenza di tali galassie attive nell'universo vicino fu notata per la prima volta dall'astronomo americano Carl Seyfert più di 70 anni fa. Oggi sono chiamate le galassie di Seyfert. Gli astronomi pensano che la fonte di tale potente attività sia l'energia gravitazionale rilasciata dalla materia surriscaldata che cade su un buco nero supermassiccio (SMBH) che risiede al centro della galassia ospite. La massa stimata di un tale SMBH per M77 è circa 10 milioni di volte quella del Sole.

Ci vuole un'enorme quantità di gas scaricato sul buco nero centrale della galassia per creare energie così forti. Può sembrare un compito facile, ma in realtà è molto difficile. Il gas nel disco galattico circolerà sempre più velocemente mentre si muoverà a spirale nelle vicinanze dell'SMBH. Quindi, ad un certo punto la "forza centrifuga" si bilancia con l'attrazione gravitazionale della SMBH. Ciò impedisce effettivamente al gas di cadere al centro. La situazione è simile all'acqua che fuoriesce da una vasca da bagno. A causa della forza centrifuga, l'acqua in rapida rotazione non si scaricherà rapidamente. Così, come si può rimuovere il momento angolare dal gas che circola vicino a un nucleo galattico attivo? Trovare la risposta a questa domanda è una delle grandi sfide per i ricercatori di oggi.

Una previsione fatta 18 anni fa

Nel 1999, Professor Yoshiaki Taniguchi (attualmente alla Open University of Japan), il caposquadra dell'attuale studio Subaru, ha pubblicato un articolo sul meccanismo di guida del nucleo attivo delle galassie di Seyfert come M 77. Ha sottolineato che un evento passato - una "fusione minore" in cui la galassia ospite ha divorato la sua galassia "satellite" (una piccola galassia di piccola massa orbitandogli) – sarebbe la chiave per attivare il nucleo di Seyfert.

Generalmente, un piccolo evento di fusione rompe semplicemente una galassia satellite di piccola massa. I detriti risultanti vengono assorbiti nel disco della galassia ospite più massiccia prima che si avvicini al centro. Perciò, non è stato considerato come il principale motore dell'attività nucleare. "Però, la situazione potrebbe essere totalmente diversa se la galassia satellite avesse al centro un (più piccolo) SMBH, "Il professor Taniguchi suggerisce, "perché il buco nero non può mai essere spezzato. Se esiste, alla fine dovrebbe sprofondare nel centro della galassia ospite."

L'SMBH che affonda dalla galassia satellite alla fine creerebbe un disturbo nel disco di gas rotante attorno all'SMBH della galassia principale. Quindi, il gas disturbato alla fine si sarebbe precipitato nell'SMBH centrale rilasciando un'enorme energia gravitazionale. "Questo deve essere il principale meccanismo di accensione dei nuclei di Seyfert attivi, " sostenne Taniguchi. "L'idea può naturalmente spiegare il mistero sulla morfologia delle galassie di Seyfert, " disse il professor Taniguchi, sottolineando il vantaggio che il modello di galassie dall'aspetto normale è anche molto attivo nei loro nuclei.

Indagare la teoria usando il telescopio Subaru

I recenti progressi nella tecnica osservativa consentono di rilevare la struttura estremamente debole attorno alle galassie, come anelli o detriti che sono probabilmente costituiti da interazioni dinamiche con galassie satellite. Le parti più esterne delle galassie sono spesso considerate relativamente "silenziose" con una scala temporale dinamica più lunga rispetto a qualsiasi altra parte interna. Le simulazioni mostrano che la debole traccia di una fusione minore passata può rimanere diversi miliardi di anni dopo l'evento. "Una tale firma può essere un test chiave per la nostra ipotesi di fusione minore per le galassie di Seyfert. Ora è il momento di rivisitare M77, " disse Taniguchi.

La scelta del team di cercare "il caso passato" è stata, Certo, il telescopio Subaru e la sua potente fotocamera per immagini, Hyper Suprime-Cam. La proposta di osservazione è stata accettata ed eseguita la notte di Natale 2016. "I dati erano semplicemente fantastici, " ha detto il dottor Ichi Tanaka, il primo ricercatore del progetto. "Per fortuna, potremmo anche recuperare gli altri dati che sono stati presi in passato e appena rilasciati dall'archivio dati del telescopio Subaru. Così, i dati combinati che abbiamo ottenuto alla fine sono profondi senza precedenti."

La figura 2 mostra il risultato. Il team ha identificato diverse caratteristiche degne di nota al di fuori del disco luminoso come mostrato nella Figura 1, la maggior parte dei quali non era nota prima dell'osservazione. C'è una debole struttura esterna a un braccio al di fuori del disco a ovest. La parte opposta del disco ha una struttura ondulata che è nettamente diversa dallo schema a spirale. Le firme rilevate corrispondono sorprendentemente al risultato di una simulazione di fusione minore pubblicata da altri gruppi di ricerca. Inoltre, il team di osservazione ha scoperto tre strutture blobby estremamente diffuse e di grandi dimensioni più lontane dal disco. intrigante, sembra che due di questi blob diffusi costituiscano in realtà un gigantesco anello attorno a M77 con un diametro di 250, 000 anni luce. Queste strutture sono prove convincenti che M77 ha divorato la sua galassia satellite almeno diversi miliardi di anni fa.

Il grande potere di raccolta di fotoni di Subaru e le superbe prestazioni della Hyper Suprime-Cam sono stati cruciali nella scoperta delle strutture estremamente deboli in M77. La loro scoperta rivela il passato violento nascosto della galassia dall'aspetto normale. "Anche se a volte le persone possono mentire, le galassie non lo fanno mai. L'importante è ascoltare le loro vocine per capire le galassie, " ha detto il professor Taniguchi.

Il team amplierà il suo studio a più galassie di Seyfert utilizzando il telescopio Subaru. Dottor Masafumi Yagi, che guida la fase successiva del progetto ha detto, "We will discover more and more evidences of the satellite merger around Seyfert host galaxies. We expect that the project can provide a critical piece for the unified picture for the triggering mechanism for active galactic nuclei."