Miliardi di anni luce di distanza, gigantesche nubi di gas idrogeno producono un tipo speciale di radiazione, un tipo di luce ultravioletta nota come emissioni Lyman-alfa. Le enormi nuvole che emettono la luce sono Lyman-alpha blob (LAB). I LAB sono molte volte più grandi della nostra galassia della Via Lattea, eppure sono stati scoperti solo 20 anni fa. Per produrre questa radiazione è necessaria una fonte di energia estremamente potente - si pensi all'equivalente di miliardi di energia prodotta dal nostro sole - ma gli scienziati discutono su quale potrebbe essere quella fonte di energia.

Un nuovo studio pubblicato il 9 marzo in Astronomia della natura fornisce prove che la fonte di energia è al centro delle galassie che formano stelle, attorno al quale esistono i LAB.

Lo studio si concentra sul Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) la cui luce è stata emessa 10,7 miliardi di anni fa. Il team collaborativo ha scoperto una caratteristica unica di LAB-6:il suo gas idrogeno sembrava cadere su se stesso. LAB-6 è il primo LAB con una forte evidenza di questa cosiddetta firma di gas in caduta. Il gas in caduta era basso in abbondanza di elementi metallici, suggerendo che il gas idrogeno in caduta del LAB abbia avuto origine nel mezzo intergalattico, piuttosto che dalla stessa galassia di formazione stellare.

La quantità di gas in caduta è troppo bassa per alimentare l'emissione Lyman-alfa osservata. I risultati forniscono la prova che la galassia centrale di formazione stellare è la principale fonte di energia responsabile dell'emissione Lyman-alfa. Pongono anche nuove domande sulla struttura dei LAB.

"Questo ci lascia un mistero. Ci aspettiamo che ci dovrebbe essere gas in caduta intorno alle galassie che formano stelle:hanno bisogno di gas per i materiali, " disse Zheng Zheng, professore associato di fisica e astronomia presso l'Università dello Utah e coautore dello studio. Zheng si è unito allo sforzo di analizzare i dati e ha guidato l'interpretazione teorica con lo studente laureato di U Shiyu Nie. "Ma questo sembra essere l'unico blob Lyman-alfa con gas in arrivo. Perché è così raro?"

Gli autori hanno utilizzato il Very Large Telescope (VLT) presso l'European Southern Observatory (ESO) e l'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) per ottenere i dati. L'autore principale Yiping Ao di Purple Mountain Observatory, L'Accademia cinese delle scienze ha osservato per la prima volta il sistema LAB-6 oltre un decennio fa. Sapeva che c'era qualcosa di speciale nel sistema anche allora, in base alle dimensioni estreme del suo blob di gas idrogeno. Ha colto al volo l'occasione per guardare più da vicino.

"Per fortuna, siamo stati in grado di ottenere i dati necessari per catturare la composizione molecolare da ALMA, fissando la velocità della galassia, " ha detto. "Il telescopio ottico VLT dell'ESO ci ha fornito l'importante profilo di luce spettrale dell'emissione Lyman-alfa".

La luce dell'idrogeno svela il suo segreto

L'universo è pieno di idrogeno. L'elettrone idrogeno orbita attorno al nucleo dell'atomo su diversi livelli energetici. Quando un atomo di idrogeno neutro viene investito da energia, l'elettrone può essere portato a un'orbita più grande con un livello di energia più elevato. Quindi l'elettrone può saltare da un livello dell'orbita a un altro, che produce un fotone. Quando l'elettrone si sposta verso l'orbita più interna dall'orbita direttamente adiacente, emette un fotone con una particolare lunghezza d'onda nello spettro ultravioletto, chiamata emissione Lyman-alfa. È necessaria una potente fonte di energia per energizzare l'idrogeno abbastanza da produrre l'emissione Lyman-alfa.

Gli autori hanno scoperto la caratteristica del gas in caduta analizzando la cinematica delle emissioni Lyman-alfa. Dopo che il fotone Lyman-alfa è stato emesso, incontra un ambiente pieno di atomi di idrogeno. Si schianta su questi atomi molte volte, come una pallina che si muove in un flipper, prima di fuggire dall'ambiente. Questa uscita fa sì che l'emissione si estenda verso l'esterno su grandi distanze.

Tutto questo rimbalzare non solo cambia la direzione dell'onda luminosa, ma anche la sua frequenza, poiché il moto del gas provoca un effetto Doppler. Quando il gas fuoriesce, l'emissione Lyman-alfa si sposta nel più lungo, lunghezza d'onda più rossa. L'opposto si verifica quando il gas sta affluendo:la lunghezza d'onda dell'emissione Lyman-alfa sembra accorciarsi, spostandolo in uno spettro più blu.

Gli autori di questo articolo hanno utilizzato l'osservazione ALMA per individuare la lunghezza d'onda prevista dell'emissione Lyman-alfa dalla prospettiva della Terra, se non ci fosse alcun effetto di rimbalzo per i fotoni Lyman-alfa. Con l'osservazione del VLT, hanno scoperto che l'emissione Lyman-alfa da questo blob si sposta in una lunghezza d'onda più lunga, che implica l'afflusso di gas. Hanno usato modelli per analizzare i dati dello spettro e studiare la cinematica del gas idrogeno.

Il gas in caduta restringe l'origine della radiazione Lyman-alfa

I LAB sono associati a galassie gigantesche che stanno formando stelle a una velocità da centinaia a migliaia di massa solare all'anno. Aloni giganti di emissioni Lyman-alfa circondano queste galassie, formando il gas Lyman-alfa blob centinaia di migliaia di anni luce con una potenza equivalente di circa 10 miliardi di soli. Il movimento all'interno delle bolle di gas può dirti qualcosa sullo stato della galassia.

Il gas in caduta può avere origine in diversi modi. Potrebbe essere il secondo stadio di una fontana galattica:se le stelle massicce muoiono, esplodono e spingono il gas verso l'esterno, che poi cade verso l'interno. Un'altra opzione è un flusso freddo:ci sono filamenti di idrogeno che galleggiano tra oggetti celesti che possono essere tirati al centro del pozzo potenziale, creando la caratteristica del gas in caduta.

Il modello degli autori suggerisce che il gas in caduta in questo LAB provenga da quest'ultimo scenario. Hanno analizzato la forma del profilo luminoso Lyman-alfa, che indica pochissima polvere metallica. In astronomia, i metalli sono qualcosa di più pesante dell'elio. Le stelle producono tutti gli elementi pesanti dell'universo:quando esplodono, producono elementi metallici e li diffondono nello spazio intergalattico.

"Se il gas fosse uscito da questa galassia, dovresti vedere più metalli. Ma questo, non c'erano molti metalli, " ha detto Zheng. "L'indicazione è che il gas non è contaminato con elementi di questa formazione stellare."

Inoltre, il loro modello indica che il gas circostante produce solo la potenza energetica equivalente di due masse solari all'anno, troppo basso per la quantità per l'emissione Lyman-alfa osservata.

I risultati forniscono una forte evidenza che la galassia formatrice di stelle è il principale contributore dell'emissione Lyman-alfa, mentre il gas in caduta agisce per modellare il suo profilo spettrale. Però, non risponde completamente alla domanda.

"Potrebbero esserci ancora altre possibilità, " disse Ao. "Se la galassia ha un buco nero super massiccio al centro, può emettere fotoni energetici che potrebbero viaggiare abbastanza lontano da produrre l'emissione".

Negli studi futuri, gli autori vogliono prendere in giro le complicate dinamiche del gas per capire perché il gas in caduta è raro per i LAB. Il gas in ingresso potrebbe dipendere dall'orientamento del sistema, Per esempio. Vogliono anche costruire modelli più realistici per comprendere i movimenti dei fotoni di emissione Lyman-alfa mentre si schiantano contro gli atomi.