Dove nascono le stelle nella Galassia Vortice

 

 

Per la prima volta, le firme di singole nubi fredde e dense di formazione stellare in una galassia al di fuori della Via Lattea sono state mappate su una vasta area. Un team di ricerca internazionale guidato da astronomi del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) ha meticolosamente mappato vaste regioni di gas freddo e denso, i futuri vivai stellari, in una galassia al di fuori della Via Lattea con un dettaglio senza precedenti. Utilizzando l’interferometro NOEMA, queste osservazioni coprono una vasta distesa all’interno della galassia, fornendo informazioni sulle diverse condizioni favorevoli alla formazione stellare. I dati segnano un risultato rivoluzionario in questo tipo di misurazione, consentendo ai ricercatori, per la prima volta, di esaminare le prime fasi della formazione stellare oltre la Via Lattea su scale minuscole come le singole nubi di gas che danno vita alle stelle.

Paradossalmente, l’evoluzione delle stelle calde inizia in alcuni dei regni più freddi dell’universo: dense nubi di gas e polvere che attraversano intere galassie.

“Per studiare le prime fasi della formazione stellare, in cui il gas si condensa gradualmente per produrre stelle, dobbiamo prima identificare queste regioni“, afferma Sophia Stuber, dottoranda presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg.

È l’autrice principale dell’articolo di ricerca che sarà pubblicato su Astronomy & Astrophysics. “A questo scopo, in genere misuriamo la radiazione emessa da molecole specifiche che sono particolarmente abbondanti in queste zone estremamente fredde e dense”.

Molecole come sonde chimiche

Gli astronomi in genere impiegano molecole come l’HCN (acido cianidrico) e l’N₂H (diazenilio) come sonde chimiche nell’esplorazione della formazione stellare all’interno della Via Lattea.

“Ma solo ora siamo stati in grado di misurare queste firme in grande dettaglio su un ampio intervallo all’interno di una galassia al di fuori della Via Lattea, coprendo varie zone con condizioni diverse“, spiega Eva Schinnerer, leader del gruppo di ricerca presso MPIA.

“Anche a prima vista, è evidente che mentre le due molecole rivelano efficacemente gas denso, rivelano anche interessanti differenze”. 

Attraverso le collisioni con le abbondanti molecole di idrogeno, che sono a loro volta difficili da rilevare, altre molecole vengono messe in rotazione.

A seguito di una riduzione della velocità di rotazione, emettono radiazioni con lunghezze d’onda caratteristiche, circa tre millimetri per le suddette molecole.

Queste misurazioni fanno parte di un programma osservativo completo chiamato SWAN (Surveying the Whirlpool at Arcsecond with NOEMA), co-guidato da Schinnerer e Frank Bigiel dell’Università di Bonn.

Utilizzando il Northern Extended Millimetre Array (NOEMA), un radiointerferometro nelle Alpi francesi, il team mira a studiare la distribuzione di varie molecole all’interno dei 20.000 anni luce interni della galassia Votice (Messier 51), tra cui l’acido cianidrico e il diazenilio.

Oltre alle 214 ore di osservazione di questo programma, circa 70 ore di altre campagne di osservazione con il telescopio a parabola singola da 30 metri nel sud della Spagna completano il set di dati.

«Poiché i dati dei radiointerferometri sono molto più complessi delle immagini dei telescopi, l’elaborazione e il perfezionamento dei dati hanno richiesto circa un altro anno», osserva Jérôme Pety dell’Institute de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), l’istituzione che gestisce i telescopi.

I telescopi interferometrici come NOEMA sono costituiti da più antenne singole, che raggiungono collettivamente una risoluzione di dettaglio paragonabile a quella di un telescopio con un diametro dello specchio primario equivalente alla spaziatura tra i singoli telescopi.

Le proprietà del gas dipendono dall’ambiente

Osservando questa galassia da una distanza di circa 28 milioni di anni luce, possiamo distinguere le firme di singole nubi di gas in diverse aree, come il centro e i bracci a spirale.

“Abbiamo sfruttato questa circostanza per determinare quanto bene i due gas tracciano le dense nubi in questa galassia per noi e se sono ugualmente adatti”, spiega Stuber.

Mentre l’intensità della radiazione dell’acido cianidrico e del diazenilio aumenta e diminuisce costantemente attraverso i bracci a spirale, fornendo risultati altrettanto affidabili per determinare la densità del gas, gli astronomi hanno trovato una notevole deviazione nel centro galattico.

Rispetto al diazenilio, la luminosità dell’emissione di acido cianidrico aumenta in modo più significativo in questa regione. Sembra esserci un meccanismo che stimola l’acido cianidrico a emettere luce aggiuntiva, cosa che non si osserva nel diazenilio.

“Sospettiamo che il nucleo galattico attivo nella Galassia Vortice sia responsabile di questo“, dice Schinnerer. Questa regione circonda il buco nero massiccio centrale.

Prima che il gas cada nel buco nero, forma un disco rotante, accelera ad alta velocità e viene riscaldato a migliaia di gradi attraverso l’attrito, emettendo intense radiazioni.

Questa radiazione potrebbe infatti contribuire in parte all’emissione aggiuntiva di molecole di acido cianuro. «Tuttavia, dobbiamo ancora esplorare in dettaglio cosa fa sì che i due gas si comportino in modo diverso», aggiunge Schinnerer.

Una sfida che vale la pena

Quindi, almeno nella regione centrale della Galassia Vortice, il diazenilio sembra essere la sonda di densità più affidabile rispetto all’acido cianidrico. Sfortunatamente, brilla in media cinque volte più debole per la stessa densità del gas, aumentando significativamente lo sforzo di misurazione. La sensibilità aggiuntiva richiesta si ottiene attraverso un periodo di osservazione considerevolmente più lungo.

La prospettiva di esplorare in dettaglio le prime fasi all’interno delle galassie al di fuori della Via Lattea porta speranza agli scienziati. Una visione così chiara della Galassia Vortice non è disponibile per la Via Lattea. Mentre le nubi molecolari e le regioni di formazione stellare sono più vicine nella Via Lattea, determinare l’esatta struttura e posizione dei bracci a spirale e delle nubi è considerevolmente più difficile.

“Anche se possiamo imparare molto dal programma di osservazione dettagliato con la Galassia Vortice, si tratta, in un certo senso, di un progetto pilota“, sottolinea Stuber. “Ci piacerebbe esplorare più galassie in questo modo in futuro”. Tuttavia, questa possibilità si scontra attualmente con limitazioni dovute alle capacità tecniche. La Galassia Vortice brilla eccezionalmente alla luce di queste sonde chimiche. Per altre galassie, i telescopi e gli strumenti devono essere molto più sensibili.

“Il Very Large Array (ngVLA) di prossima generazione, attualmente in fase di progettazione, sarà probabilmente sufficientemente potente“, spera Schinnerer. Se tutto va bene, sarà disponibile solo tra una decina d’anni. Fino ad allora, la Galassia Vortice funge da ricco laboratorio per esplorare la formazione stellare su scala galattica.

© Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber et al. (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) e l’Hubble Heritage Team (STScI/AURA)