Giovanissima e già sorprendentemente matura: grazie alle osservazioni condotte con il Large Binocular Telescope un team internazionale di ricercatori coordinati da Paolo Saracco dell’Istituto Nazionale di Astrofisica è riuscito a ricostruire la forsennata storia evolutiva di una galassia supermassiccia ai confini dell’Universo, esistita 12 miliardi di anni fa, quando questo aveva appena 1,8 miliardi di anni, meno del 13% dell’età attuale. Questa galassia, chiamata C1-23152, si sarebbe formata in “soli” 500 milioni di anni, un tempo incredibilmente breve per dare origine ai 200 miliardi di stelle da cui è costituita. Per farlo, avrebbe prodotto ben 450 stelle ogni anno, più di una al giorno, un ritmo quasi 300 volte maggiore dell’attuale tasso di formazione stellare nella nostra galassia, la Via Lattea. Le informazioni ottenute da questo studio saranno preziose per raffinare le teorie sulla formazione ed evoluzione delle galassie, per le quali la rapida e precoce formazione di oggetti celesti come C1-23152 è tutt’oggi difficile da spiegare.
Le galassie più massicce che osserviamo nell’universo raggiungono masse diverse centinaia di miliardi di volte quella del Sole e sebbene siano numericamente appena un terzo di tutte le galassie, contengono più del 70% della massa in stelle dell’universo. Per questo motivo, capire come ed in quanto tempo queste galassie si siano formate sono tra le questioni più dibattute dell’astrofisica moderna. L’attuale modello di formazione e di evoluzione delle galassie – il cosiddetto modello gerarchico – prevede che le galassie più piccole si siano formate prima, mentre i sistemi più massicci si siano formati successivamente, accrescendo la loro massa stellare prevalentemente attraverso la fusione di galassie di piccola massa. D’altra parte, alcune proprietà osservate nelle galassie più massicce presenti nell’universo locale, come l’età delle loro popolazioni stellari, sembrano suggerire invece che esse si siano formate in tempi remoti. Purtroppo, la varietà dei fenomeni evolutivi che le galassie possono subire nel corso della loro storia non consente di definire in maniera univoca, attraverso gli studi condotti nell’universo vicino, il modo in cui esse si siano formate, lasciando ampi margini di incertezza. Tuttavia, una risposta a questi interrogativi può arrivare dallo studio delle proprietà di galassie massicce ad epoche remote, prossime quanto più possibile all’epoca in cui hanno formato gran parte della loro massa.
Partendo da queste premesse, il team di Saracco è passato all’azione. Ben 17 ore di osservazioni spettroscopiche con il Large Binocular Telescope (LBT) della galassia ellittica C1-23152, precedentemente identificata ad una distanza alla quale l’Universo aveva meno del 13% dell’età attuale, hanno permesso ai ricercatori di dare una risposta sulla sua storia evolutiva. “I dati raccolti mostrano che l’intervallo di tempo di formazione di C1-23152, cioè il tempo trascorso fra la formazione delle prime stelle dal gas preesistente al momento in cui la formazione stellare si è arrestata quasi del tutto, è inferiore a 500 milioni di anni” dice Saracco, ricercatore INAF a Milano e primo autore dell’articolo pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal. “Sempre dai dati raccolti con LBT siamo stati in grado di stabilire che in questo breve intervallo di tempo, corrispondente a meno di 4 centesimi dell’età dell’universo, la galassia ha formato una massa pari a circa 200 miliardi di stelle come il Sole ad una tasso medio di circa 450 soli all’anno. La nostra galassia, la Via Lattea, oggi ne forma in media non più di due all’anno”, aggiunge Danilo Marchesini, professore ordinario alla Tufts University e secondo autore dell’articolo. Ma non è tutto. La grande mole di informazioni raccolte ha permesso al team di quantificare per la prima volta in una galassia così distante l’abbondanza di elementi chimici più pesanti dell’elio (la cosiddetta metallicità): le stelle di questa galassia hanno, sorprendentemente, una metallicità maggiore di quella del Sole, come quella osservata appunto nelle galassie più massicce a noi vicine.
“Queste osservazioni hanno mostrato che la formazione delle galassie più massicce presenti nell’Universo può avvenire in tempi estremamente rapidi, attraverso un processo di formazione stellare estremamente intenso, come per C1-23152” sottolinea Francesco La Barbera, ricercatore INAF a Napoli, nel team che ha condotto lo studio. “Capire se lo scenario che descrive la formazione di C1-23152 sia un caso particolare o se, al contrario, sia quanto accade per gran parte delle galassie massicce dell’Universo è di fondamentale importanza poiché ciò implicherebbe una revisione profonda dei modelli di formazione delle galassie”, aggiunge Adriana Gargiulo, anche lei ricercatrice INAF a Milano e coautrice dello studio.
I risultati delle osservazioni indicano che la formazione di masse stellari così elevate come per C1-23152 necessiti sia di masse di gas altrettanto elevate da convertire in stelle che di condizioni fisiche particolari. Un possibile scenario ipotizzato dai ricercatori è che massicce nubi primordiali di gas, precipitando sotto l’effetto della forza gravitazionale in una stessa regione, si scontrino innescando violenti processi di formazione stellare. Dal punto di vista osservativo, i precursori delle galassie più massicce potrebbero quindi essere galassie remote con altissimo tasso di formazione stellare.
“Per verificare le nostre ipotesi, saranno determinanti le osservazioni che la strumentazione di prossima generazione permetterà di effettuare, in particolare il telescopio spaziale James Webb Space Telescope (JWST) che andrà in orbita alla fine del 2021, e l’Extremely Large Telescope (ELT) il più grande telescopio terrestre mai costruito, con uno specchio principale di 39 metri di diametro, che sarà operativo dagli inizi del 2026” conclude Saracco.
Lo studio è stato pubblicato online sul sito web della rivista The Astrophysical Journal nell’articolo The Rapid Build-up of Massive Early-type Galaxies. Supersolar Metallicity, High Velocity Dispersion and Young Age for an ETG at z=3.35 di Paolo Saracco, Danilo Marchesini, Francesco La Barbera, Adriana Gargiulo, Marianna Annunziatella, Ben Forrest, Daniel J. Lange Vagle, Z. Cemile Marsan, Adam Muzzin, Mauro Stefanon, Gillian Wilson
