Due miliardi di anni dopo il Big Bang, l'Universo era ancora molto giovane. Però, migliaia di enormi galassie, ricco di stelle e polvere, erano già formati. Uno studio internazionale, guidato dalla SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, ora spiega come ciò sia stato possibile. Gli scienziati hanno combinato metodi osservativi e teorici per identificare i processi fisici alla base della loro evoluzione e, per la prima volta, trovato prove per una rapida crescita di polvere a causa di un'alta concentrazione di metalli nel lontano Universo. Lo studio, pubblicato in Astronomia e astrofisica , offre un nuovo approccio per indagare la fase evolutiva di oggetti massicci.

Dalla loro prima scoperta 20 anni fa, galassie molto lontane e massicce che formano una quantità prodigiosa di giovani stelle - le cosiddette galassie "polverose" (che formano stelle) - rappresentano una seria sfida per gli astronomi:"Da un lato, sono difficili da rilevare perché risiedono in regioni dense del lontano Universo e contengono particelle polverose che assorbono la maggior parte della luce ottica irradiata dalle giovani stelle, " spiega Darko Donevski, assegnista di ricerca alla SISSA. "D'altra parte, molti di questi "giganti" polverosi si sono formati quando l'Universo era molto giovane, a volte anche meno di 1 miliardo di anni, e gli scienziati si sono chiesti come è possibile che una quantità così grande di polvere sia stata prodotta così presto".

Lo studio di questi oggetti esotici è ora possibile grazie all'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Questo interferometro di 66 telescopi nel deserto di Atacama nel nord del Cile è in grado di rilevare la luce infrarossa che penetra nelle nuvole polverose, rivelando la presenza di stelle di nuova formazione. Però, l'origine di grandi quantità di polvere all'inizio del tempo cosmico è ancora una questione aperta per gli astronomi. "Per molti anni gli scienziati hanno pensato che la produzione di polvere cosmica fosse dovuta esclusivamente all'esplosione di supernove. Tuttavia, recenti lavori teorici suggeriscono che la polvere può crescere anche attraverso collisioni di particelle di freddo, gas ricco di metalli che riempie le galassie, " spiega il ricercatore.

Un team internazionale di ricercatori provenienti da istituzioni con sede in Europa, NOI, Canada e Sudafrica, guidato da Donevski, metodi osservativi e teorici combinati per studiare 300 distanti, galassie polverose per svelare l'origine di questi "giganti". In particolare, hanno dedotto le proprietà fisiche di queste galassie polverose adattando le loro distribuzioni spettrali di energia. "Abbiamo trovato un'enorme quantità di massa di polvere nella maggior parte delle nostre galassie. Le nostre stime hanno mostrato che le esplosioni di supernova non potevano essere responsabili di tutto questo e una parte doveva essere prodotta attraverso collisioni di particelle nell'ambiente ricco di metalli gassosi attorno a stelle massicce, come ipotizzato in precedenza dai modelli teorici" afferma Donevski. "Questa è la prima volta che i dati osservativi supportano l'esistenza di entrambi i meccanismi di produzione".

Gli scienziati hanno anche esaminato il rapporto tra polvere e massa delle stelle nel tempo per studiare l'efficienza con cui le galassie creano e distruggono la polvere durante la loro evoluzione. "Questo ci ha permesso di identificare il ciclo di vita della polvere in due diverse popolazioni di galassie:normale, cosiddetta 'sequenza principale, "galassie, che si stanno lentamente evolvendo, e più estremo, galassie in rapida evoluzione, chiamato 'starburst, '" ha detto Lara Pantoni, dottorato di ricerca studente alla SISSA, che ha sviluppato il modello analitico utilizzato per l'interpretazione dei dati. Il modello mostra il grande potenziale nel descrivere le differenze in questi due gruppi di galassie osservate. "Interessante, abbiamo anche mostrato che, indipendentemente dalla loro distanza, massa o dimensione stellare, le galassie compatte 'starburst' hanno sempre un rapporto tra polvere e massa stellare più alto delle normali galassie".

Per valutare appieno i risultati osservativi, il team di astronomi ha anche confrontato i propri dati con simulazioni di galassie all'avanguardia. Hanno usato SIMBA, una nuova suite che simula la formazione e l'evoluzione di milioni di galassie dall'inizio dell'Universo ai giorni nostri, tracciando tutte le loro proprietà fisiche, compresa la massa di polvere. "Fino ad ora, i modelli teorici hanno avuto problemi nel far corrispondere contemporaneamente sia la polvere della galassia che le proprietà stellari. Però, la nostra nuova suite di simulazione cosmologica, SIMBA, potrebbe riprodurre la maggior parte dei dati osservati, " spiega Desika Narayanan, professore di astronomia all'Università della Florida e membro dell'istituto DAWN di Copenhagen.

"Il nostro studio mostra che la produzione di polvere nei "giganti" è dominata da una crescita molto rapida di particelle attraverso le loro collisioni con il gas. Pertanto, fornisce la prima forte prova che la formazione di polvere si verifica sia durante la morte delle stelle che nello spazio tra queste stelle massicce, come ipotizzato da studi teorici, " conclude Donevski. "Inoltre, offre un nuovo approccio misto per studiare l'evoluzione di oggetti massicci nel lontano Universo che sarà testato con futuri telescopi spaziali come il James Webb Space Telescope".