Un team di astronomi del Centro Nazionale di Radio Astrofisica (NCRA-TIFR) di Pune, e il Raman Research Institute (RRI), a Bangalore, ha utilizzato il Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) per misurare il contenuto di gas idrogeno atomico delle galassie 9 miliardi di anni fa, nel giovane universo. Questa è la prima epoca nell'universo per la quale esiste una misurazione del contenuto di idrogeno atomico delle galassie. Il nuovo risultato è una conferma cruciale del precedente risultato del gruppo, dove avevano misurato il contenuto di idrogeno atomico delle galassie 8 miliardi di anni fa, e spinge la nostra comprensione delle galassie ancora prima nell'universo. La nuova ricerca è pubblicata nel numero del 2 giugno 2021 di Le Lettere del Giornale Astrofisico .

Le galassie sono costituite principalmente da gas e stelle, con nuove stelle che si formano dal gas esistente durante la vita di una galassia. Le stelle si sono formate molto più frequentemente quando l'universo era giovane di quanto non facciano oggi. Gli astronomi sanno da più di due decenni che l'attività di formazione stellare nelle galassie era al suo massimo circa 8-10 miliardi di anni fa, ed è diminuito costantemente da allora in poi. Fino a poco tempo fa, la causa di questo declino era sconosciuta, soprattutto perché non abbiamo avuto informazioni sulla quantità di gas idrogeno atomico, il principale carburante per la formazione stellare, nelle galassie in questi primi tempi. La situazione è cambiata l'anno scorso quando un team di astronomi dell'NCRA e della RRI, inclusi alcuni degli autori del presente studio, utilizzato il GMRT aggiornato per ottenere la prima misurazione del contenuto di gas idrogeno atomico delle galassie circa 8 miliardi di anni fa, quando l'attività di formazione stellare dell'Universo iniziò a declinare. Hanno scoperto che la probabile causa del declino della formazione stellare nelle galassie è che le galassie stavano esaurendo il carburante.

Aditya Chowdhury, un dottorato di ricerca studente presso NCRA-TIFR, e l'autore principale sia del nuovo studio che di quello del 2020, disse, "I nostri nuovi risultati riguardano le galassie anche in tempi precedenti, ma ancora verso la fine dell'epoca di massima attività di formazione stellare. Scopriamo che le galassie 9 miliardi di anni fa erano ricche di gas atomico, con quasi tre volte più massa nel gas atomico che nelle stelle. Questo è molto diverso dalle galassie odierne come la Via Lattea, dove la massa del gas è quasi dieci volte più piccola della massa delle stelle".

La misurazione della massa del gas idrogeno atomico è stata effettuata utilizzando il GMRT per cercare una riga spettrale nell'idrogeno atomico, che può essere rilevato solo con i radiotelescopi. Sfortunatamente, questo segnale di 21 cm è molto debole, e quindi quasi impossibile da rilevare da singole galassie a distanze così grandi, a circa 30 miliardi di anni luce da noi, anche con potenti telescopi come il GMRT. Il team ha quindi utilizzato una tecnica chiamata "stacking" per migliorare la sensibilità. Ciò ha permesso loro di misurare il contenuto medio di gas di quasi 3, 000 galassie, combinando i loro segnali di 21 cm.

"Le osservazioni del nostro studio sono state effettuate circa 5 anni fa, prima che il GMRT fosse aggiornato nel 2018. Abbiamo utilizzato i ricevitori e la catena elettronica originali del GMRT prima del suo aggiornamento, che aveva una larghezza di banda stretta. Potremmo quindi coprire solo un numero limitato di galassie; questo è il motivo per cui il nostro studio attuale copre 3000 galassie, rispetto all'8, 000 galassie del nostro studio del 2020 con la larghezza di banda più ampia del GMR aggiornato, " ha detto Nissim Kanekar di NCRA-TIFR, coautore dello studio.

Barnali Das, un altro dottorato studente di NCRA-TIFR, aggiunto, "Anche se avevamo meno galassie, abbiamo aumentato la nostra sensibilità osservando più a lungo, con quasi 400 ore di osservazioni. Il grande volume di dati ha significato che l'analisi ha richiesto molto tempo".

"La formazione stellare in queste prime galassie è così intensa che consumerebbero il loro gas atomico in soli due miliardi di anni. E, se le galassie non potessero acquisire più gas, la loro attività di formazione stellare diminuirebbe, e infine cessare.", disse Chowdhury. "Sembra quindi probabile che la causa del declino della formazione stellare nell'Universo sia semplicemente che le galassie non sono state in grado di ricostituire i loro serbatoi di gas dopo qualche epoca, probabilmente perché non c'era abbastanza gas disponibile nei loro ambienti".

"La riproducibilità è fondamentale per la scienza! L'anno scorso, abbiamo riportato la prima misurazione del contenuto di gas atomico in galassie così lontane. Con il presente risultato, utilizzando un insieme completamente diverso di ricevitori ed elettronica, ora abbiamo due misurazioni indipendenti della massa del gas atomico in queste prime galassie. Questo sarebbe stato difficile da credere, anche qualche anno fa, " disse Kanekar.

K.S. Dwarakanath della RRI, coautore dello studio, menzionato "Rilevare il segnale di 21 cm da galassie lontane era il principale obiettivo originale del GMRT, e continua ad essere un motore scientifico chiave per la costruzione di telescopi ancora più potenti come lo Square Kilometer Array. Questi risultati sono estremamente importanti per la nostra comprensione dell'evoluzione delle galassie".