Grazie al decisivo apporto delle antenne cilene di ALMA, un team di ricercatori ha ottenuto la più dettagliata mappa di una galassia primordiale mai realizzata finora. La galassia dista 12,4 miliardi di anni luce, dunque la stiamo osservando in un’epoca in cui l’Universo non aveva neppure un miliardo e mezzo di anni. Lo studio ha messo in mostra che ci troviamo in presenza di un oggetto davvero insolito, non solo per la sua struttura, piuttosto complessa per un’epoca così primordiale, ma anche per il forsennato ritmo di produzione stellare che lo caratterizza.

La galassia COSMOS-AzTEC-1

La scoperta di questo remoto sistema stellare risale al 2007 e la si deve a un team di astronomi impegnato alle Hawaii a sperimentare con il James Clerk Maxwell Telescope lo strumento AzTEC, un innovativo bolometro sviluppato dall’Università del Massachusetts in collaborazione con il Caltech e altre istituzioni.

Individuata nel cosiddetto COSMOS Field, una zona della volta celeste scelta dagli astronomi per accurate indagini cosmologiche, la galassia AzTEC-1 si distingue subito per alcune sue particolarità. In uno studio pubblicato su The Astrophysical Journal Letters nell’aprile 2011, Vernesa Smolčić (ESO) e collaboratori riportano che, da misure effettuate con il telescopio Keck e lo spettrografo DEIMOS, la galassia mostra uno spostamento verso il rosso decisamente significativo (z = 4.3), un redshift che, applicando i parametri cosmologici suggeriti dalle osservazioni del satellite Planck, la colloca a 12,4 miliardi di anni luce di distanza. Nello stesso studio si sottolinea come AzTEC-1 sia una galassia estremamente giovane, di grande massa e compatta e che sia caratterizzata da un’elevatissima produzione stellare. Una galassia davvero peculiare, insomma, visto che la stiamo osservando a meno di un miliardo e mezzo di anni dal Big Bang.

Per indagare a fondo su questa galassia-mostro e sulle sue stranezze, un team di astronomi guidato da Ken-ichi Tadaki (National Astronomical Observatory of Japan - NAOJ) ha fatto ricorso ad ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), il sistema di antenne realizzato ai 5000 metri di quota del Chajnantor Plateau nel deserto di Atacama. Sfruttando la configurazione più estesa delle sue 66 antenne, quella che consente di poter disporre di una baseline di 16 chilometri, il team ha potuto disporre della maggiore sensibilità e risoluzione offerte dal sistema, ottenendo una ricchezza di dettagli senza precedenti.

Quella compiuta grazie alle antenne di ALMA è la mappatura del gas molecolare di una galassia primordiale con la risoluzione più elevata mai ottenuta finora. Una risoluzione che, con grande sorpresa degli astronomi, ha messo in luce la presenza di imponenti nubi di gas separate dalla struttura centrale. I risultati della mappatura di AzTEC-1 ottenuti dal team di Tadaki sono stati pubblicati su Nature a fine agosto (a questo link è possibile accedere alla versione dello studio pubblicata su arxiv.org).

Una panoramica del Chajnantor Plateau e di alcune delle 66 antenne ad alta precisione che compongono ALMA. La località è stata scelta perché è uno dei luoghi più secchi e aridi del pianeta, le condizioni ideali per effettuare le osservazioni nel dominio millimetrico e sub-millimetrico. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / O. Dessibourg

L’eccellente lavoro di ALMA

Contrariamente a quanto ci si attende per galassie osservate in queste fasi iniziali del loro cammino evolutivo, le immagini di AzTEC-1 catturate dalle antenne di ALMA hanno evidenziato la presenza di un massiccio disco già formato e in rotazione regolare e, a diverse migliaia di anni luce di distanza dal disco, due grandi nubi molecolari. Min Su Yun, docente di astronomia alla UMass Amherst e membro non solo del team che nel 2007 scoprì la galassia e del team di Vernesa Smolčić ma anche del gruppo di lavoro di Tadaki, sottolinea molto chiaramente lo stupore che ha colto i ricercatori: «È stata una vera sorpresa vedere che questa galassia, osservata nel suo aspetto di quasi 13 miliardi di anni fa, mostri un disco massiccio, ordinato e in rotazione regolare invece di quanto ci si sarebbe aspettato e che è suggerito da molti studi teorici, vale a dire qualcosa di molto simile alla scena di un disastro ferroviario. Lo stesso vale per le due grandi nubi distanti dal centro: in gran parte delle galassie lontane caratterizzate da intensa formazione stellare, le stelle si formano nelle regioni centrali. È dunque davvero sorprendente imbattersi in queste nubi separate dal centro.»

Dalle osservazioni di ALMA è emersa la distribuzione del gas molecolare (a sinistra) e quella delle particelle di polvere (a destra). Oltre all’addensamento centrale, con loro grande sorpresa i ricercatori hanno potuto individuare due dense strutture distanti migliaia di anni luce dalla regione centrale. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Tadaki et al.

Nello studio apparso su Nature si sottolinea la natura di galassia starburst di AzTEC-1. La sua popolazione stellare, calcolata in circa 97 miliardi di masse solari, cresce ogni anno al ritmo di ben 1186 masse solari. Un’autentica esplosione di nascite stellari, oltre mille volte più numerose di quelle che caratterizzano la nostra Via Lattea.

La formazione stellare in una galassia è di solito un fenomeno che si mantiene a ritmi moderati ed è in grado di autoregolarsi. Normalmente, infatti, le nubi di gas sono in uno stato di equilibrio tra la gravità che tende a contrarle, generando stelle, e la pressione dei venti stellari e delle esplosioni di supernova che tendono a disperderle. In AzTEC-1 la pressione è molto più debole della gravità e non riesce a mettere il freno a una mostruosa e inarrestabile produzione stellare. Secondo le stime dei ricercatori, se in un prossimo futuro non si innescherà qualche meccanismo in grado di mitigare tale instabilità, nel volgere di solamente 100 milioni di anni la galassia esaurirà la riserva di gas osservata da ALMA. AzTEC-1 sta dunque bruciando le sue riserve a un ritmo 10 volte maggiore di quello che solitamente contraddistingue una galassia starburst.

Per il momento gli astronomi non hanno una risposta definitiva per giustificare questa instabilità gravitazionale e come si possa essere accumulata una così elevata quantità di gas in una regione così limitata (il diametro è di circa 7000 anni luce). Lo scenario che si potrebbe ipotizzare – in accordo con modelli teorici, ma non confermato finora da nessun dato osservativo – chiama in causa un merging tra galassie. La fusione tra due galassie, infatti, potrebbe essere molto efficiente nel far confluire il gas in una regione limitata e accendere un’incontrollata formazione stellare. «Per il momento - sottolinea Tadaki - non abbiamo alcuna evidenza di una fusione tra galassie. Osservando con ALMA altre galassie simili, però, è nostra intenzione provare a svelare la relazione che lega galassie-mostro come AzTEC-1 e i mergers galattici».