Gli astronomi del MIT e altrove hanno usato un enorme ammasso di galassie come lente d'ingrandimento a raggi X per sbirciare indietro nel tempo, a quasi 9,4 miliardi di anni fa. Nel processo, hanno individuato una minuscola galassia nana nella sua primissima stadi ad alta energia della formazione stellare.

Mentre gli ammassi di galassie sono stati utilizzati per ingrandire gli oggetti a lunghezze d'onda ottiche, questa è la prima volta che gli scienziati hanno sfruttato questi enormi giganti gravitazionali per ingrandire l'estremo, lontano, Fenomeni di emissione di raggi X.

Quello che hanno rilevato sembra essere un puntino blu di una galassia neonata, circa 1/10, 000 le dimensioni della nostra Via Lattea, nel bel mezzo dello sfornare le sue prime stelle, supermassicce, oggetti cosmicamente di breve durata che emettono raggi X ad alta energia, che i ricercatori hanno rilevato sotto forma di un arco blu brillante.

"È questa piccola macchia blu, il che significa che è una galassia molto piccola che contiene un sacco di supercaldo, giovani stelle molto massicce che si sono formate di recente, "dice Matthew Bayliss, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Questa galassia è simile alle primissime galassie che si sono formate nell'universo... il tipo che nessuno ha mai visto prima ai raggi X nell'universo lontano."

Bayliss dice che il rilevamento di questo singolo, la galassia lontana è la prova che gli scienziati possono usare gli ammassi di galassie come ingranditori naturali di raggi X, per scegliere estremo, fenomeni altamente energetici nella prima storia dell'universo.

"Con questa tecnica, potremmo, nel futuro, zooma su una galassia lontana e data l'età di diverse parti di essa, per dire, questa parte ha stelle che si sono formate 200 milioni di anni fa, contro un'altra parte che si è formata 50 milioni di anni fa, e separali in un modo che non puoi fare altrimenti, "dice Bayliss, che passerà all'Università di Cincinnati come assistente professore di fisica.

Lui e i suoi coautori, compreso Michael McDonald, assistente professore di fisica al MIT, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Astronomia della natura .

Una candela alla luce

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti più massicci dell'universo, composta da migliaia di galassie, tutti legati insieme dalla gravità come un enorme, forza potente. Gli ammassi di galassie sono così massicci, e la loro attrazione gravitazionale è così forte, che possono distorcere il tessuto dello spazio-tempo, piegando l'universo e qualsiasi luce circostante, proprio come un elefante tenderebbe e deformerebbe una rete a trapezio.

Gli scienziati hanno usato gli ammassi di galassie come lenti d'ingrandimento cosmiche, con una tecnica nota come lente gravitazionale. L'idea è che se gli scienziati possono approssimare la massa di un ammasso di galassie, possono stimare i suoi effetti gravitazionali su qualsiasi luce circostante, così come l'angolo con cui un ammasso può deviare quella luce.

Ad esempio, immagina se un osservatore, di fronte a un ammasso di galassie, stavano cercando di rilevare un oggetto, come una singola galassia, dietro quel grappolo. La luce emessa da quell'oggetto viaggerebbe dritta verso l'ammasso, quindi piegare intorno al cluster. Continuerebbe a viaggiare verso l'osservatore, anche se con angolazioni leggermente diverse, apparendo all'osservatore come immagini speculari dello stesso oggetto, che alla fine possono essere combinati come un unico, immagine "ingrandita".

Gli scienziati hanno utilizzato ammassi di galassie per ingrandire gli oggetti a lunghezze d'onda ottiche, ma mai nella banda dei raggi X dello spettro elettromagnetico, principalmente perché gli stessi ammassi di galassie emettono un'enorme quantità di raggi X. Gli scienziati hanno pensato che qualsiasi raggio X proveniente da una fonte di fondo sarebbe impossibile da distinguere dal bagliore dell'ammasso.

"Se stai cercando di vedere una sorgente di raggi X dietro un ammasso, è come cercare di vedere una candela accanto a una luce davvero brillante, " Dice Bayliss. "Quindi sapevamo che questa era una misurazione impegnativa da fare".

Sottrazione di raggi X

I ricercatori si sono chiesti:potrebbero sottrarre quella luce brillante e vedere la candela dietro di essa? In altre parole, potrebbero rimuovere le emissioni di raggi X provenienti dall'ammasso di galassie, per visualizzare i raggi X molto più deboli provenienti da un oggetto, dietro e ingrandita dal grappolo?

Il team ha testato questa idea con osservazioni prese dall'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, uno dei telescopi spaziali a raggi X più potenti al mondo. Hanno esaminato in particolare le misurazioni di Chandra dell'ammasso della Fenice, un lontano ammasso di galassie situato a 5,7 miliardi di anni luce dalla Terra, che è stato stimato essere circa un quadrilione di volte più massiccio del sole, con effetti gravitazionali che dovrebbero renderlo un potente, lente di ingrandimento naturale.

"L'idea è di prendere qualunque sia il tuo miglior telescopio a raggi X, in questo caso, Chandra e usa una lente naturale per ingrandire e ingrandire efficacemente Chandra, così puoi vedere cose più lontane, "dice Bayliss.

Lui e i suoi colleghi hanno analizzato le osservazioni dell'ammasso Phoenix, preso continuamente da Chandra per oltre un mese. Hanno anche esaminato le immagini dell'ammasso scattate da due telescopi ottici e infrarossi:il telescopio spaziale Hubble e il telescopio Magellano in Cile. Con tutti questi diversi punti di vista, il team ha sviluppato un modello per caratterizzare gli effetti ottici del cluster, che ha permesso ai ricercatori di misurare con precisione le emissioni di raggi X dal cluster stesso, e sottrarlo ai dati.

Sono stati lasciati con due modelli simili di emissioni di raggi X intorno all'ammasso, che hanno determinato sono stati "lenti, " o piegato gravitazionalmente, dal cluster. Quando hanno tracciato le emissioni a ritroso nel tempo, hanno scoperto che tutti provenivano da un unico, fonte lontana:una minuscola galassia nana di 9,4 miliardi di anni fa, quando l'universo stesso aveva circa 4,4 miliardi di anni, circa un terzo della sua età attuale.

"In precedenza, Chandra aveva visto solo una manciata di cose a quella distanza, " dice Bayliss. "In meno del 10% del tempo, abbiamo scoperto questo oggetto, altrettanto lontano. E la lente gravitazionale è ciò che ci ha permesso di farlo".

La combinazione di Chandra e del potere di lente naturale dell'ammasso della Fenice ha permesso al team di vedere la minuscola galassia nascosta dietro l'ammasso, ingrandito di circa 60 volte. A questa risoluzione, sono stati in grado di ingrandire per distinguere due gruppi distinti all'interno della galassia, uno produce molti più raggi X dell'altro.

Poiché i raggi X vengono in genere prodotti durante condizioni estreme, fenomeni di breve durata, i ricercatori ritengono che il primo gruppo ricco di raggi X segnali una parte della galassia nana che ha formato stelle supermassicce di recente formazione, mentre la regione più tranquilla è una regione più antica che contiene stelle più mature.

"Stiamo catturando questa galassia in una fase molto utile, dove ci sono queste giovanissime stelle, " dice Bayliss. "Ogni galassia doveva iniziare in questa fase, ma non vediamo molte di questo tipo di galassie nelle nostre vicinanze. Ora possiamo tornare indietro nel tempo, guarda nell'universo lontano, trovare galassie in questa prima fase della loro vita, e inizia a studiare come è diversa la formazione stellare lì".