Galactic Fossil Hunting

Quando gli astronomi scrutano i cieli, guardano anche indietro nel tempo. Quindi, quando gli scienziati osservano una galassia che si trova a un miliardo di anni luce dalla Terra, stanno anche vedendo come il sistema stellare è apparso un miliardo di anni nel passato perché la luce dalla galassia ha impiegato un miliardo di anni per raggiungere i loro strumenti. Questo trasforma i telescopi in macchine del tempo che consentono agli astronomi di esplorare l’antica storia cosmica. Tuttavia, a differenza degli archeologi legati alla terra che studiano vecchie rocce, gli astronomi esaminano i fossili fatti di luce primordiale.

• Guida per principianti all’universo LCDM
  È possibile che le galassie lontane si allontanino da noi più velocemente della velocità della luce? Guarda un’immagine accurata dell’universo basata sul modello Lambda Cold Dark Matter, il miglior modello cosmologico di oggi.
• Fonte: CassiopeiaProject

L’origine e l’evoluzione delle galassie sono due delle aree più attivamente ricercate in astrofisica. Un enorme peso di prove ha convinto i cosmologi che l’Universo è venuto all’esistenza in un preciso momento nel tempo, circa 13,6 miliardi di anni fa, sotto forma di una palla di fuoco super calda e super densa di radiazioni energetiche nota come evento del Big Bang.
Oggi, il modello Lambda Cold Dark Matter (o LCDM) è l’ultima incarnazione della nostra comprensione dell’origine del Cosmo. Rappresenta un miglioramento della teoria del big bang postulando la maggior parte della sostanza fisica nell’Universo costituito da un materiale chiamato materia oscura.
Sebbene non possa essere rilevata dalla strumentazione attuale, i cosmologi ritengono che la materia oscura sia composta da particelle fredde e lente che non emettono radiazioni elettromagnetiche o diffondono luce, quindi appaiono anche scure. Tuttavia, l’effetto gravitazionale della materia oscura può essere osservato sul materiale visibile, come le galassie e le osservazioni della radiazione di fondo.

• Clumpy early universe
  Piccoli aloni di materia oscura possono essere visti fondersi in questa simulazione al computer dell’universo primordiale basata sulla teoria della Materia Oscura fredda Lambda. Gli straordinari, le fusioni producono una proto-galassia.

Il Lambda nel nome della teoria spiega la presenza di energia oscura, una forza ipotetica che sembra accelerare l’espansione dell’Universo. La teoria è stata originariamente pubblicata nel 1984 dai fisici degli Stati Uniti Joel R. Primack, George Blumenthal e Sandra Moore Faber. Oggi, è anche indicato come il modello cosmologico standard.

Secondo la teoria LCDM, l’Universo era intensamente caldo, straordinariamente liscio ed essenzialmente omogeneo immediatamente dopo il Big Bang. Tuttavia, piccole fluttuazioni di densità, meno di una parte su centomila, cominciarono ad apparire e crescere. Mentre l’universo si raffreddava, ciuffi di materia oscura cominciarono a condensarsi e al loro interno si formarono molecole di gas. A questo punto l’universo era composto quasi esclusivamente da idrogeno, elio e materia oscura. Questo è il periodo in cui è stata emessa la radiazione cosmica di fondo a microonde.
Il gas e la materia oscura furono attratti gravitazionalmente verso le aree di maggiore densità e formarono aloni che rappresentarono i semi per le prime galassie. Man mano che gli aloni diventavano più massicci, cominciarono a collassare sotto il loro stesso peso e divennero proto-galassie. Poco dopo, il gas idrogeno ed elio all’interno degli aloni ha cominciato a fare le prime stelle. Poi, nel tempo, gli aloni si sono fusi per formare galassie sempre più grandi.

• Anelli e archi non sono l’unica prova di un’antica fusione satellitare. Questa animazione simula la fusione di numerose galassie compagne e dimostra che sono possibili anche pennacchi, lance, punte e conchiglie che circondano la galassia primaria.
• Modello di animazione di credito: James Bullock (UC Irvine)

Le simulazioni al computer hanno permesso ai teorici di seguire l’evoluzione della materia nell’Universo da poco tempo dopo il Big Bang fino a poco tempo fa. Queste simulazioni sostengono che la formazione di galassie in presenza di materia oscura fredda avviene gerarchicamente – le prime galassie a formarsi sono piccole nane e queste successivamente si fondono per formare sistemi stellari progressivamente più grandi. Pertanto, le grandi galassie come la Via Lattea devono aver consumato un centinaio o più piccole galassie nane nel tempo. Tuttavia, molti di loro possono essere così accuratamente mescolati con le stelle della loro galassia madre che non sono più facilmente identificabili.
Fusioni avvenute in Cielo
La manifestazione più spettacolare di questo processo potrebbe essere la coalescenza di galassie di dimensioni comparabili in un processo noto come fusione maggiore. Questi eventi spesso provocano la distruzione del modello a spirale in entrambe le galassie che si fondono. Le fusioni importanti possono anche innescare esplosioni stellari. Tali eventi sono stati relativamente rari negli ultimi miliardi di anni e solo una piccola percentuale di grandi galassie sono coinvolte in una fusione importante in corso in qualsiasi momento.

Tuttavia, si prevede che fusioni minori che comportano l’interruzione di una galassia satellite nana da parte di un compagno molto più massiccio siano significativamente più comuni. Secondo il modello LCDM, le fusioni minori dovrebbero ancora verificarsi oggi. Poiché il disco stellare del partner più grande non viene distrutto durante una fusione minore, i segni di eventi recenti o in corso dovrebbero essere evidenti intorno a molte spirali, il tipo più comune di grande galassia.
Briciole di pane cosmico

• Galassia Nana del Sagittario
  Il flusso di marea del Sagittario della Via Lattea può essere visto estendersi dal denso “nucleo” della nana del Sagittario, avvolgendosi intorno alla galassia e scendendo attraverso la posizione del Sole.
• Animation credit David Law/University of Virginia

Il riflusso e il flusso delle maree vengono creati quando la Luna attrae il nostro pianeta e i suoi oceani in modo differenziato. Allo stesso modo, una grande spirale deforma una galassia satellite orbitante esercitando una trazione più forte su un lato rispetto all’altro. Nel processo, alcune delle stelle del satellite vengono rimosse come una scia di briciole di pane che lascia una traccia fossile sotto forma di una struttura stellare di marea. Durante la loro fusione, le stelle di una galassia satellite possono essere trascinate in lunghi flussi, depositate in vasti gusci di detriti o spazzate in enormi strutture a forma di ombrello che circondano la galassia madre e rimangono rilevabili per diversi miliardi di anni come una gigantesca reliquia cosmica.
La prova del primo flusso stellare è stata scoperta nella galassia della Via Lattea durante gli anni ‘ 90. Nota come Ellittica Nana del Sagittario, questa piccola galassia satellite orbita su un percorso perpendicolare all’ampio piano stellare della Via Lattea facendola passare attraverso la nostra galassia. Ad ogni passaggio attraverso il disco, le stelle vengono rimosse formando un flusso sottile.
Dalla scoperta della galassia nana del Sagittario, oltre 15 flussi stellari sono stati identificati nell’alone della nostra galassia di casa e 4 sono stati scoperti nella galassia di Andromeda, la nostra vicina galattica più vicina.
Tuttavia, le prove di flussi di marea oltre il Gruppo locale sono state per lo più aneddotiche fino a poco tempo fa.

• Galassia in una bolla. NGC3521 si trova a circa 35 milioni di anni luce in lontananza verso la costellazione settentrionale del Leone. Questa nuova immagine profonda raffigura più gusci di detriti che testimoniano precedenti fusioni con una o più galassie satelliti.
• Credito fotografico: R. Jay GaBany Cosmotography.com

Oltre il Gruppo locale
Negli ultimi sei anni, il Dr. David Martínez-Delgado del Max Planck Institute for Astronomy ha guidato un team internazionale di astronomi professionisti e dilettanti alla ricerca di flussi stellari intorno a otto spirali vicine al Gruppo locale analizzando immagini ultra-profonde prodotte con strumenti di dimensioni modeste disponibili in commercio. I loro sforzi hanno portato alla scoperta di sei ampie strutture stellari che circondano molte delle galassie esaminate. Queste caratteristiche precedentemente non rilevate sono state interpretate come detriti provenienti da satelliti perturbati dalla marea. Inoltre, la loro ricerca ha confermato e chiarito diverse enormi caratteristiche stellari che erano state precedentemente riportate ma mai interpretate come prove fossili di fusioni minori.

• La Galassia Ombrello, NGC4651, si trova nella costellazione di Coma Berenices e situata a circa 35 milioni di anni luce dal nostro pianeta. Questa nuova vista mostra prove di precedenti fusioni con una o più galassie satelliti.
  Il guscio di detriti stellari apparentemente trafitto da una stretta “lancia” di marea è coerente con le previsioni basate sul modello standard.
• Credito fotografico: R. Jay GaBany Cosmotography.com

L’insieme delle galassie mostrava caratteristiche inaspettate e molto diverse, come grandi caratteristiche circolari simili al flusso del Sagittario della Via Lattea, conchiglie remote e nuvole giganti di detriti di marea, nonché enormi caratteristiche simili a jet che emergevano dai dischi galattici. Insieme ai resti di compagni già interrotti, le osservazioni hanno anche catturato i satelliti sopravvissuti catturati nell’atto di interruzione delle maree.
All’inizio del 2011, è stata completata una nuova immagine di NGC 3521 che migliora i dati originariamente raccolti per il sondaggio. Situato a 35 milioni di anni luce dal nostro pianeta verso la costellazione settentrionale del Leone, questo sistema stellare è stato classicamente classificato come galassia flocculante a causa dell’enorme quantità di materiale che oscura parzialmente la sua struttura a spirale.
Tuttavia, la nuova immagine ultra-profonda rivela prove di una o più precedenti fusioni con galassie nane che hanno lasciato sottostrutture distinguibili, come una nube quasi sferica di detriti visibile sul suo lato orientale e una grande nube allungata a ovest. Entrambi rappresentano gusci di detriti appartenenti a una struttura simile ad un ombrello simile a quella vista nelle immagini di NGC 4651. Ma, il loro aspetto più sciolto suggerisce che sono stati accresciuti molto più lontano in passato. Inoltre, la galassia è avvolta da una bolla di gusci di detriti multipli che possono rappresentare un’ulteriore prova di antiche fusioni.
Altre galassie flocculenti hanno anche dimostrato di avere resti di flussi stellari, come NGC 5055 (M63), portando alcuni a ipotizzare che questo fenomeno possa essere collegato a precedenti fusioni minori.
Un confronto con le simulazioni al computer ha confermato la straordinaria varietà di strutture rilevate dal team di Delgado. L’esistenza delle caratteristiche di marea attorno a galassie lontane che sembrano essere normali, da tutti gli altri aspetti, e la loro corrispondenza con le simulazioni LCDM ha costituito una nuova prova che il modello standard si applica anche a galassie lontane simili alla Via Lattea.
Come gli archeologi cosmici, gli astronomi scavano luce antica per scoprire la verità sulla nascita e lo sviluppo delle galassie. I flussi stellari, reliquie del processo di fusione gerarchico previsto dalla teoria LCDM, furono identificati per la prima volta nella Via Lattea e in altre galassie del Gruppo locale. Ora, strutture simili sono state viste in galassie molto più lontane. Combinate, queste osservazioni supportano l’attuale teoria migliore che spiega come l’Universo, e tutto ciò che è al suo interno, abbia avuto origine ed evoluto fino ai giorni nostri.
Tuttavia, il libro della conoscenza scientifica è scritto su pagine sfuse che vengono riviste, riordinate e talvolta rimosse nel tempo quando vengono scavate nuove informazioni. Pertanto, a differenza dei fossili legati alla terra, nulla di cosmologico dovrebbe essere considerato inciso nella pietra perché c’è sempre qualcosa di nuovo che viene alla luce appena sopra il nostro orizzonte.
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