La formazione di galassie a spirale rimane una questione aperta in astronomia, ma un nuovo studio offre uno sguardo nuovo su come emergono queste strutture.
Le galassie nell’universo sono disponibili in tutte le forme e dimensioni. Alcune sono sfere giganti di stelle, molte volte più grandi della Via Lattea. Altri sono dischi appiattiti, pancake con turbinii stellari simili a un rigonfiamento centrale. Ma altri ancora, incluso la nostra, sono composizioni di stelle che danzano a spirale attorno al loro centro.
Gli astronomi si sono a lungo chiesti come si formano queste spirali e sono state proposte una serie di teorie. Ora nuove osservazioni stanno rivelando i campi magnetici su scala galattica associati a queste spirali, fornendo quelli che possono essere indizi vitali per la loro formazione.
In un articolo pubblicato sul server prestampa arXiv.org e accettato per la pubblicazione nell’Astrophysical Journal, un team di astronomi ha eseguito osservazioni dallo Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), per osservare un galassia chiamata M77 con un nuovo strumento chiamato Airborne Wideband Camera – Plus (HAWC +) ad alta risoluzione. Sebbene M77 sia a circa 47 milioni di anni luce dalla Terra, il team è stato in grado di utilizzare le capacità a infrarossi lontani di SOFIA per osservare il suo campo magnetico, trovandolo strettamente correlato ai bracci a spirale pieni di stelle della galassia.
“La regione tra le stelle nella nostra galassia e in altre galassie è piena di polvere“, afferma Terry Jones dell’Università del Minnesota, uno dei coautori del documento. “Quella polvere assorbe la luce dalle stelle, si riscalda e si irradia nell’infrarosso lontano. Se si allineano tutti nella stessa direzione, si comporta come un polarizzatore debole, come un paio di occhiali da sole polarizzati. Come si allinea tutta la polvere? Bene, questo è ciò che fa il campo magnetico. La polarizzazione della luce da questa polvere ci dice la direzione del campo magnetico“.
SOFIA è stata in grado di produrre la sua straordinaria visualizzazione di M77 grazie alla sua capacità unica di volare in alto nell’atmosfera, sopra strati di vapore acqueo che altrimenti assorbirebbero la debole firma a infrarossi lontani emessa dalla polvere in galassie lontane. “Non era davvero possibile prima“, afferma Jones. “Questo è un nuovo modo di mappare o fare foto di altre galassie in luce polarizzata nell’infrarosso lontano. Non puoi farlo da terra, perché l’atmosfera assorbe tutto e gli strumenti precedenti non erano abbastanza sensibili“.
In questo studio, affermano i ricercatori, è la prima volta che gli astronomi hanno mappato il campo magnetico di un’altra galassia nella luce infrarossa lontana.
Questo risultato è significativo, osserva Bruce Draine della Princeton University, che non è stato coinvolto nel lavoro, perché quella luce è “quasi interamente irradiata dai granelli di polvere“. Sebbene le particelle di polvere stesse siano troppo piccole per essere viste, il loro allineamento su larga scala le fa irradiare più intensamente, rivelando la loro distribuzione sull’intero M77.
Come l’M77 e le altre galassie producano le loro spirali rimane una questione aperta in astronomia, anche se si ritiene che la gravità svolga un ruolo importante.
In un modello predominante noto come teoria dell’onda di densità, le regioni più dense di una galassia ruotano più lentamente del loro ambiente circostante, il che significa che le stelle al loro interno si accumulano essenzialmente nei bracci a spirale che possiamo osservare da lontano. E questo effetto può modellare il campo magnetico in una galassia, piuttosto che viceversa. “Il campo magnetico sembra essere pronto per la corsa“, afferma Jones. “In altre parole, il campo magnetico stesso non ci sta dicendo dove dovrebbero essere i bracci a spirale; i bracci a spirale ci dicono dove punta il campo magnetico“.
Ronald Drimmel, dell’Osservatorio Astrofisico di Torino in Italia, che non è stato coinvolto nel nuovo studio, afferma che l’esistenza di campi magnetici che attraversano la galassia non è “una sorpresa“. Ma la rivelazione di SOFIA di modelli su larga scala molto distinti è nuova e importante. “Sta dimostrando che il campo magnetico in queste galassie non è solo turbolento o casuale“, dice. “Non è ovvio che il campo magnetico debba essere ordinato in questo modo regolare su larga scala. È interessante”, e potenzialmente rilevante per risolvere il mistero del perché alcune galassie hanno una forma a spirale, mentre altre no.
Si pensa che molte galassie prendano forma attraverso le collisioni con altre galassie. Ma la rarità relativa di tali collisioni cosmiche, rispetto alla prevalenza delle galassie a spirale, può richiedere una teoria più ampia per spiegare i turbinii cosmici. “Le nostre teorie sulla struttura a spirale sono incomplete“, afferma Draine. “In alcune galassie, si sviluppa in un modo molto più pronunciato rispetto ad altre. Ed esattamente ciò che determina se la galassia avrà questa struttura molto pronunciata o una struttura a spirale meno [discernibile] non è sempre chiara“.
Per arrivare al fondo di questa domanda, gli studi che seguono quest’ultima ricerca di SOFIA dovranno essere condotti con una risoluzione più elevata, afferma George Helou del California Institute of Technology, che non è stato coinvolto in quel recente documento.
Tali osservazioni ad alta risoluzione potrebbero mostrare come il gas di una galassia viene compresso e modellato per tutta la sua vita. “Abbiamo una buona teoria di lavoro, la teoria delle onde a densità di spirale, che è stata proposta sei decenni fa che sembra aver superato tutti i test“, afferma Helou. “Ma ha molti parametri che ci giocano. Se ti dessi tutti i parametri che conosciamo sul disco di una galassia, non c’è un modo semplice per te di capire come dovrebbero apparire le spirali. Abbiamo ancora molti aspetti che dobbiamo approfondire“.
Abbiamo visto prima, grazie a SOFIA, che il vento emesso da una galassia è allineato con il suo campo magnetico. Ma questo recente studio ci dà uno sguardo completamente nuovo su quale ruolo svolgono i campi magnetici all’interno delle galassie o, almeno, in quale forma si formano dalle galassie stesse. E, afferma Jones, ci sono allettanti potenziali osservazioni che in futuro potranno essere fatte con SOFIA che possono darci una migliore padronanza delle forme galattiche che mai. “Possiamo trovarli schiantarsi l’uno contro l’altro, e non l’abbiamo ancora osservato con questa tecnica“, afferma. “Non abbiamo ancora misurato la geometria del campo magnetico di [galassie senza bracci a spirale]. Quindi questa è solo la punta dell’iceberg“.
Questo articolo è stato pubblicato su Scientific American ‘Swirling Magnetic Fields Hint at Origins of Spiral Galaxy Shapes’
[SOFIA/HAWC+ traces the magnetic fields in NGC 1068 – E. Lopez-Rodríguez et al. 2019 (HAWC+ Science Team)] https://arxiv.org/abs/1907.06648
