Galassie del vuoto: i veri universi dell'isola

Perché Pesci A e B potrebbero essere la chiave per comprendere la prima evoluzione delle galassie nane.

Nei primi anni del 20 ° secolo, uno dei principali punti di contesa in astronomia era la natura degli oggetti che ora conosciamo come galassie. Alcuni, come Harlow Shapely, li chiamavano "nebulose a spirale", credendo che si trovassero all'interno dei confini della Via Lattea, mentre altri, come Heber Curtis, usavano il termine "universi dell'isola", descrivendo un mare di galassie alla deriva attraverso l'universo. La risposta a questo enigma avrebbe profonde implicazioni per le dimensioni dell'universo e della cosmologia nel suo insieme.

Oggi sappiamo che le galassie si trovano al di fuori della Via Lattea, che è solo la galassia in cui viviamo. Tuttavia, non sono tanto simili alle isole come alcuni avrebbero potuto credere. Esistono molte galassie in gruppi o ammassi di galassie, con decine o migliaia di membri. Rimaniamo all'interno del gruppo locale giustamente chiamato, insieme ad Andromeda e Triangulum, e siamo circondati da uno sciame di galassie satellitari.

Una mappa di vuoti e supercluster attorno alla Via Lattea, centrata sul Supercluster della Vergine. Il Vuoto locale è troppo piccolo per essere visto. Credito immagine: Andrew Z. Colvin, sotto la licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Ci sono eccezioni a questa regola, ovviamente; non tutte le galassie fanno parte di ammassi. In effetti, alcuni casi oscuri si nascondono nei vuoti, enormi regioni attraversate da decine di megaparsec che non contengono quasi galassie e solo piccole quantità di gas extragalattico. Queste galassie vuote sono difficili da trovare, specialmente se sono scure, ma capire come si formano e si evolvono può portarci a un tesoro di informazioni su come l'universo si comporta su larga scala - a partire, ovviamente, con i vuoti.

Oggi viaggiamo appena oltre il Gruppo Locale fino al limite del Vuoto Locale. Qui giacciono due galassie nane, Pesci A e Pesci B. Sono piccole e deboli, e non sappiamo ancora molto su di esse, ma ciò che sappiamo ha profonde implicazioni per lo studio della formazione e dell'evoluzione delle galassie nane.

Nani poveri di gas e idrogeno neutro

Figura 1, Tollerud et al. 2015. Le immagini radio e ottiche originali dei Pesci A e B. La risoluzione è piuttosto scarsa, ma ha comunque prodotto misurazioni della distanza decenti.

I pesci A e B sono stati scoperti solo pochi anni fa, con i dati del sondaggio GALFA-HI condotto presso l'Osservatorio di Arecibo (Tollerud et al. 2015). GALFA-HI ha misurato l'emissione nella linea di 21 cm, un indicatore chiave di nuvole di idrogeno neutre. Poiché qualsiasi significativa emissione di HI può provenire solo da regioni ricche di gas, è uno strumento scadente per rilevare galassie nane impoverite di gas vicino alla Via Lattea - e un modo eccellente per trovare galassie con abbondante idrogeno e formazione di stelle in corso.

Dopo aver identificato queste due fonti radio, le osservazioni ottiche con il telescopio WIYN da 3,5 metri hanno trovato controparti visibili. La spettroscopia Hα ha scoperto che ciascuna sorgente ottica aveva una velocità radiale quasi identica alla corrispondente sorgente radio, confermando che erano gli stessi oggetti: galassie nane, a distanze comprese tra 1,7-3,5 Mpc (Pesci A) e 3,5–8,9 Mpc (Pesci B), posizionandoli ai margini del Gruppo Locale.

Le discrepanze nelle distanze si sono verificate perché il gruppo ha usato due metodi diversi per determinarle. Se assumiamo che le galassie siano distaccate dal gruppo locale, possiamo usare la legge di Hubble e le misurazioni delle loro velocità di recessione per capire quanto siano lontane. Tuttavia, il team è stato anche in grado di discernere alcune giovani stelle blu nelle galassie; dalle loro apparenti magnitudini, hanno escogitato valori diversi - inferiori -.

Parte della figura 3, Tollerud et al. 2015. Notate come i Pesci A e B sono sostanzialmente ricchi di idrogeno rispetto alla maggior parte delle galassie nane della stessa massa, che li rende più facili da individuare nelle indagini HI.

Giganti rossi: candele standard più affidabili

Un anno dopo, il team ha utilizzato il telescopio spaziale Hubble per rappresentare le galassie (Tollerud et al. 2016). La fotometria dalle osservazioni ha portato a un terzo modo ancora più preciso di misurare le distanze dalle galassie: usare la punta del ramo gigante rosso (TRGB, in breve).

Quando un gigante rosso raggiunge l'inizio del processo triplo alfa, la sua luminosità aumenta sostanzialmente attraverso un improvviso scoppio di fusione chiamato un lampo di elio. Mentre il flash stesso è breve, il successivo periodo di evoluzione dura più a lungo e la stella diventa sempre più luminosa, raggiungendo infine un punto chiamato la punta del ramo gigante rosso. Si scopre che tutte queste stelle hanno sostanzialmente la stessa luminosità, indipendentemente da massa, metallizzazione o composizione. Questo li rende eccellenti candele standard, proprio come le variabili Cefeidi.

Fig. 1 e 2, Tollerud et al. 2016. Immagini Hubble dei Pesci A e B. Mentre le immagini WIYN erano abbastanza buone da discernere alcune fonti puntuali, Hubble è stata in grado di fornire immagini con una risoluzione significativamente più elevata.

La fotometria di Hubble era abbastanza buona da poter utilizzare il metodo TRGB e forniva distanze coerenti con l'idea che i nani Pesci si trovassero al di fuori del Gruppo Locale: rispettivamente 5,6 e 9,2 Mpc. Con accurate misurazioni della distanza in mano, il gruppo è stato in grado di determinare più proprietà della coppia, comprese le luminosità e le masse stellari totali (circa 10 milioni di masse solari per ciascuna).

Cosa significa tutto

La cosa eccitante è che il team è ora in grado di posizionare queste galassie su una mappa. Si è scoperto che entrambi giacciono sul bordo del Vuoto Locale. Sfortunatamente, non abbiamo dati cinematici di massa dettagliati nelle giuste direzioni, quindi non possiamo dire con certezza che i Pesci A e B si stiano allontanando dal vuoto. Tuttavia, abbiamo alcuni indizi.

Fig.12, Tollerud et al. 2016. Una mappa delle galassie vicine a circa 10 Mpc di Terra. Il gruppo locale siede, piccolo e apparentemente compatto, al centro.

Innanzitutto, la coppia ha sperimentato uno scoppio di formazione stellare non molto tempo fa. È abbastanza plausibile che ciò sia stato provocato da un'improvvisa collisione con i filamenti di gas che formano i confini del Vuoto Locale. Inoltre, le distribuzioni HI corrispondono a quelle che ci aspetteremmo di vedere nelle galassie vuote. Infine, entrambe queste galassie - in particolare Pesci A - sono più piccole della maggior parte delle galassie a forma di stella nel gruppo locale, il che significa che sono molto più compatte. Ciò potrebbe indicare che solo ora stanno entrando negli stessi percorsi evolutivi che le loro controparti nel gruppo locale hanno percorso molto tempo fa.

Fig.13, Tollerud et al. 2016. Nota come i Pesci A e B sono molto più piccoli della maggior parte delle galassie a forma di stella, ma molto più luminosi della maggior parte delle galassie passive (non a forma di stella).

È questa nozione finale che rende i Pesci A e B particolarmente eccitanti. Se sono davvero vuote galassie, devono aver trascorso la maggior parte della loro vita indisturbate nell'ambiente relativamente incontaminato del Vuoto Locale. Ciò significa che potrebbero assomigliare e comportarsi in modo molto simile alle normali galassie nane, miliardi e miliardi di anni fa. A meno di 10 Mpc di distanza, quindi, potrebbero trovare indizi sulle prime vite di molti dei nostri vicini più vicini. È un pensiero piuttosto eccitante.