Il telescopio ALMA in Cile ha trasformato il modo in cui vediamo l'universo, mostrandoci parti altrimenti invisibili del cosmo. Questa serie di antenne incredibilmente precise studia un frammento di luce radio relativamente ad alta frequenza:onde che vanno da pochi decimi di millimetro a diversi millimetri di lunghezza. Recentemente, gli scienziati hanno spinto ALMA ai suoi limiti, sfruttando le capacità di massima frequenza (lunghezza d'onda più corta) dell'array, che scrutano una parte dello spettro elettromagnetico che si trova a cavallo della linea tra la luce infrarossa e le onde radio.

"Osservazioni radio ad alta frequenza come queste normalmente non sono possibili da terra, " ha detto Brett McGuire, un chimico del National Radio Astronomy Observatory di Charlottesville, Virginia, e autore principale di un articolo apparso su Lettere per riviste astrofisiche . "Richiedono l'estrema precisione e sensibilità di ALMA, insieme ad alcune delle condizioni atmosferiche più secche e stabili che si possono trovare sulla Terra".

In condizioni atmosferiche ideali, avvenuta la sera del 5 aprile 2018, gli astronomi hanno addestrato la più alta frequenza di ALMA, visione submillimetrica su una curiosa regione della Nebulosa Zampa di Gatto (nota anche come NGC 6334I), un complesso di formazione stellare situato a circa 4, 300 anni luce dalla Terra in direzione della costellazione meridionale dello Scorpione.

Precedenti osservazioni di ALMA di questa regione a frequenze più basse hanno scoperto una formazione stellare turbolenta, un ambiente altamente dinamico, e una ricchezza di molecole all'interno della nebulosa.

Per osservare a frequenze più alte, le antenne ALMA sono progettate per ospitare una serie di "bande" - numerate da 1 a 10 - che studiano ciascuna un particolare frammento dello spettro. I ricevitori Band 10 osservano alla frequenza più alta (lunghezza d'onda più corta) di qualsiasi strumento ALMA, coprendo lunghezze d'onda da 0,3 a 0,4 millimetri (da 787 a 950 gigahertz), che è anche considerata luce infrarossa a lunghezza d'onda lunga.

Queste osservazioni ALMA uniche nel loro genere con Band 10 hanno prodotto due risultati entusiasmanti.

Getti di vapore da Protostar

Uno dei primi risultati della Band 10 di ALMA è stato anche uno dei più impegnativi, l'osservazione diretta di getti di vapore acqueo che si allontanano da una delle massicce protostelle della regione. ALMA è stata in grado di rilevare la luce di lunghezza d'onda submillimetrica emessa naturalmente dall'acqua pesante (molecole d'acqua costituite da ossigeno, atomi di idrogeno e deuterio, atomi di idrogeno con un protone e un neutrone nel nucleo).

"Normalmente, non saremmo in grado di vedere direttamente questo particolare segnale da terra, " disse Crystal Brogan, un astronomo presso l'NRAO e coautore dell'articolo. "Atmosfera terrestre, anche in luoghi straordinariamente aridi, contiene ancora abbastanza vapore acqueo per sopraffare completamente questo segnale da qualsiasi fonte cosmica. In condizioni eccezionalmente incontaminate nell'alto deserto di Atacama, però, ALMA può infatti rilevare quel segnale. Questo è qualcosa che nessun altro telescopio sulla Terra può raggiungere".

Quando le stelle iniziano a formarsi da enormi nubi di polvere e gas, il materiale che circonda la stella cade sulla massa al centro. Una parte di questo materiale, però, viene spinto lontano dalla protostella in crescita come una coppia di getti, che portano via gas e molecole, compresa l'acqua.

L'acqua pesante osservata dai ricercatori scorre via da una singola protostella o da un piccolo gruppo di protostelle. Questi getti sono orientati in modo diverso da quelli che sembrano getti molto più grandi e potenzialmente più maturi provenienti dalla stessa regione. Gli astronomi ipotizzano che i getti d'acqua pesante visti da ALMA siano caratteristiche relativamente recenti che stanno appena iniziando a spostarsi nella nebulosa circostante.

Queste osservazioni mostrano anche che nelle regioni in cui quest'acqua colpisce il gas circostante, i maser ad acqua a bassa frequenza, versioni naturali dei laser a microonde, si accendono. I maser sono stati rilevati in osservazioni complementari dal Very Large Array della National Science Foundation.

ALMA osserva le molecole in abbondanza

Oltre a creare immagini sorprendenti di oggetti nello spazio, ALMA è anche un sensore chimico cosmico estremamente sensibile. Mentre le molecole ruzzolano e vibrano nello spazio, emettono naturalmente luce a lunghezze d'onda specifiche, che appaiono come picchi e cali su uno spettro. Tutte le bande di ricezione di ALMA possono rilevare queste impronte digitali spettrali uniche, ma quelle linee alle frequenze più alte offrono una visione unica dell'accendino, sostanze chimiche importanti, come acqua pesante. Forniscono anche la capacità di vedere segnali da complessi, molecole calde, che hanno righe spettrali più deboli alle frequenze più basse.

Usando la banda 10, i ricercatori hanno potuto osservare una regione dello spettro straordinariamente ricca di impronte molecolari, compresa la glicoaldeide, la più semplice molecola correlata allo zucchero.

Rispetto alle precedenti osservazioni migliori al mondo della stessa fonte con l'Herschel Space Observatory dell'Agenzia spaziale europea, le osservazioni di ALMA hanno rilevato più di dieci volte il numero di righe spettrali.

"Abbiamo rilevato una ricchezza di complesse molecole organiche che circondano questa massiccia regione di formazione stellare, " ha detto McGuire. "Questi risultati sono stati accolti con entusiasmo dalla comunità astronomica e mostrano ancora una volta come ALMA rimodellerà la nostra comprensione dell'universo".

ALMA è in grado di sfruttare queste rare finestre di opportunità quando le condizioni atmosferiche sono "giuste" utilizzando la programmazione dinamica. Questo significa, gli operatori del telescopio e gli astronomi monitorano attentamente il tempo e conducono le osservazioni pianificate che meglio si adattano alle condizioni prevalenti.

"Ci sono certamente alcune condizioni che devono essere soddisfatte per condurre un'osservazione di successo utilizzando la banda 10, " ha concluso Brogan. "Ma questi nuovi risultati di ALMA dimostrano quanto possano essere importanti queste osservazioni".

"Per rimanere in prima linea nella scoperta, gli osservatori devono innovare continuamente per guidare l'avanguardia di ciò che l'astronomia può realizzare, " ha detto Joe Pesce, il direttore del programma per il National Radio Astronomy Observatory presso NSF. "Questo è un elemento fondamentale della NRAO di NSF, e il suo telescopio ALMA, e questa scoperta spinge il limite di ciò che è possibile attraverso l'astronomia terrestre".

Questa ricerca è presentata in un documento intitolato "Primi risultati di un'indagine su righe spettrali in banda 10 ALMA di NGC 6334I:rilevazioni di glicolaldeide (HC(O)CH2OH) e un nuovo deflusso bipolare compatto in HDO e CS, " di B. McGuire et al. nel Lettere per riviste astrofisiche .