Le galassie crescono accumulando gas dall'ambiente circostante e convertendolo in stelle, ma i dettagli di questo processo sono rimasti oscuri. Nuove osservazioni, realizzato utilizzando il Keck Cosmic Web Imager (KCWI) presso l'Osservatorio W. M. Keck alle Hawaii, ora fornire il più chiaro, la prova più diretta che i filamenti di gas freddo si avvolgono in giovani galassie, fornendo il carburante per le stelle.

"Per la prima volta, stiamo vedendo filamenti di gas direttamente a spirale in una galassia. È come un oleodotto che va dritto dentro, "dice Christopher Martin, un professore di fisica al Caltech e autore principale di un nuovo articolo apparso nel numero del 1 luglio della rivista Astronomia della natura . "Questo gasdotto sostiene la formazione stellare, spiegando come le galassie possono creare stelle su scale temporali molto veloci".

Per anni, gli astronomi hanno discusso esattamente su come il gas si fa strada verso il centro delle galassie. Si surriscalda drammaticamente quando si scontra con il gas caldo circostante? O scorre lungo sottili e densi filamenti, rimane relativamente freddo? "La teoria moderna suggerisce che la risposta è probabilmente un mix di entrambi, ma dimostrare l'esistenza di questi freddi flussi di gas era rimasta una grande sfida fino ad ora, " dice il co-autore Donal O'Sullivan (MS '15), un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Martin che ha costruito parte di KCWI.

KCWI, progettato e costruito al Caltech, è una fotocamera di imaging spettrale all'avanguardia. Chiamato spettrografo a unità di campo integrale, consente agli astronomi di acquisire immagini in modo tale che ogni pixel dell'immagine contenga uno spettro di luce disperso. Installato a Keck all'inizio del 2017, KCWI è il successore del Cosmic Web Imager (CWI), uno strumento che opera al Palomar Observatory vicino a San Diego dal 2010. KCWI ha otto volte la risoluzione spaziale e 10 volte la sensibilità del CWI.

"Il driver principale per la costruzione di KCWI è stato comprendere e caratterizzare la rete cosmica, ma lo strumento è molto flessibile, e gli scienziati l'hanno usato, tra l'altro, studiare la natura della materia oscura, per indagare sui buchi neri, e per affinare la nostra comprensione della formazione stellare, " dice il coautore Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, dottorato di ricerca '12), uno scienziato senior di strumenti al Caltech.

La domanda su come le galassie e le stelle si formino da una rete di filamenti sottili nello spazio, ciò che è noto come la rete cosmica, ha affascinato Martin da quando era uno studente laureato. Per trovare risposte, ha guidato le squadre che hanno costruito sia CWI che KCWI. Nel 2017, Martin e il suo team hanno utilizzato KCWI per acquisire dati su due galassie attive note come quasar, denominato UM 287 e CSO 38, ma non erano i quasar stessi che volevano studiare. Vicino a ciascuno di questi due quasar c'è una nebulosa gigante, più grande della Via Lattea e visibile grazie alla forte illuminazione dei quasar. Osservando la luce emessa dall'idrogeno nelle nebulose, in particolare una linea di emissione atomica chiamata idrogeno Lyman-alfa, sono stati in grado di mappare la velocità del gas. Da precedenti osservazioni a Palomar, il team sapeva già che c'erano segni di rotazione nelle nebulose, ma i dati di Keck hanno rivelato molto di più.

"Quando abbiamo usato il CWI di Palomar in precedenza, siamo stati in grado di vedere quello che sembrava un disco rotante di gas, ma non riusciamo a distinguere alcun filamento, " dice O'Sullivan. "Ora, con l'aumento di sensibilità e risoluzione con KCWI, abbiamo modelli più sofisticati e possiamo vedere che questi oggetti vengono alimentati dal gas che fluisce dai filamenti attaccati, il che è una prova evidente che la rete cosmica è connessa e alimenta questo disco."

Martin e colleghi hanno sviluppato un modello matematico per spiegare le velocità che stavano vedendo nel gas e lo hanno testato su UM287 e CSO38, nonché su una galassia simulata.

"Ci è voluto più di un anno per elaborare il modello matematico per spiegare il flusso radiale del gas, " dice Martin. "Una volta che l'abbiamo fatto, siamo rimasti scioccati dal modo in cui funziona bene il modello."

I risultati forniscono la migliore prova fino ad oggi per il modello a flusso freddo della formazione delle galassie, che sostanzialmente afferma che il gas freddo può fluire direttamente nelle galassie in formazione, dove viene convertito in stelle. Prima che questo modello diventasse popolare, i ricercatori avevano proposto che le galassie attirassero il gas e lo riscaldassero fino a temperature estremamente elevate. Da li, si pensava che il gas si raffreddasse gradualmente, fornendo un rifornimento costante ma lento di carburante per le stelle. Nel 1996, ricerca di Charles (Chuck) Steidel del Caltech, il professore di astronomia Lee A. DuBridge e coautore del nuovo studio, ha messo in discussione questo modello. Lui e i suoi colleghi hanno dimostrato che le galassie lontane producono stelle a una velocità molto elevata, troppo veloce per essere spiegata dal lento sedimentamento e raffreddamento del gas caldo che era un modello preferito per il rifornimento di giovani galassie.

"Attraverso gli anni, abbiamo acquisito sempre più prove per il modello a flusso freddo, " dice Martin. "Abbiamo soprannominato la nostra nuova versione del modello "cold-flow inspiral", ' poiché vediamo lo schema a spirale nel gas."

"Questo tipo di misurazioni è esattamente il tipo di scienza che vogliamo fare con KCWI, "dice John O'Meara, il capo scienziato dell'Osservatorio Keck. "Uniamo la potenza delle dimensioni del telescopio di Keck, strumentazione potente, e un fantastico sito astronomico per spingere i confini di ciò che è possibile osservare. È molto emozionante vedere questo risultato in particolare, poiché l'osservazione diretta degli afflussi è stata una sorta di anello mancante nella nostra capacità di testare modelli di formazione ed evoluzione delle galassie. Non vedo l'ora di vedere cosa succederà dopo".

Il nuovo studio, intitolato, "Afflusso di gas multifilamento che alimenta giovani galassie che formano stelle, " è stato finanziato dalla National Science Foundation (NSF), l'Osservatorio W.M. Keck, Caltech, e il Consiglio europeo della ricerca.