Nuove osservazioni effettuate con il James Webb Space Telescope (JWST) e l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hanno permesso ai ricercatori di vedere le complesse interazioni all’interno dell’evento di collisione multi-galassia noto come Quintetto di Stephan.
Le onde d’urto risultanti dalla violenta collisione tra una galassia intrusa e il Quintetto di Stephan stanno aiutando gli astronomi a capire come la turbolenza influenza il gas nel mezzo intergalattico.
Nuove osservazioni con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( ALMA ) e il James Webb Space Telescope (JWST) hanno rivelato che un boom sonico molte volte più grande della Via Lattea ha dato il via a un impianto di riciclaggio del gas idrogeno molecolare caldo e freddo.
Inoltre, gli scienziati hanno scoperto la disgregazione di una nuvola gigante in una nebbia di gas caldo, la possibile collisione di due nuvole che formano una spruzzata di gas caldo attorno a loro e la formazione di una nuova galassia.
Il Quintetto di Stephan
Il Quintetto di Stephan è un gruppo di cinque galassie – NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319 e NGC 7320 – generalmente situate a circa 270 milioni di anni luce dalla Terra nella costellazione di Pegaso. Il gruppo fornisce un laboratorio incontaminato per lo studio delle collisioni tra galassie e il loro impatto sull’ambiente circostante. In genere le collisioni e le fusioni tra galassie innescano un’esplosione di formazione stellare; questo non è il caso del Quintetto di Stephan. Invece, questa attività violenta si sta svolgendo nel mezzo intergalattico, lontano dalle galassie in luoghi dove c’è poca o nessuna formazione stellare a ostruire la vista.
Quella finestra pulita sull’Universo ha permesso agli astronomi di osservare cosa sta accadendo mentre una delle galassie, NGC 7318b, si intromette violentemente nel gruppo a una velocità relativa di circa 800 km/secondo. A quella velocità, un viaggio dalla Terra alla Luna richiederebbe solo otto minuti. “Mentre questo intruso si schianta contro il gruppo, si sta scontrando con un vecchio streamer di gas che probabilmente è stato causato da una precedente interazione tra due delle altre galassie, e sta causando la formazione di un’onda d’urto gigante”, ha detto Philip Appleton, astronomo senior e scienziato presso l’IPAC di Caltech e ricercatore capo del progetto.
“Mentre l’onda d’urto attraversa questo streamer grumoso, crea uno strato di raffreddamento altamente turbolento o instabile, ed è nelle regioni colpite da questa violenta attività che stiamo assistendo a strutture inaspettate e al riciclo del gas idrogeno molecolare. Questo è importante perché l’idrogeno molecolare costituisce la materia prima che alla fine potrebbe formare le stelle, quindi capire il suo destino ci dirà di più sull’evoluzione del Quintetto di Stephan e delle galassie in generale”.
Le nuove osservazioni che utilizzano il ricevitore Banda 6 (1,3 mm di lunghezza d’onda) di ALMA, sviluppato dal National Radio Astronomy Observatory (NRAO) della US National Science Foundation, hanno permesso agli scienziati di ingrandire tre regioni chiave con estremo dettaglio e, per la prima volta, costruire una chiara immagine di come l’idrogeno gassoso si muove e si modella su base continua.
“Il potere di ALMA è evidente in queste osservazioni del Quintetto di Stephan, fornendo agli astronomi nuove intuizioni e una migliore comprensione di questi processi precedentemente sconosciuti”, ha affermato Joe Pesce, responsabile del programma per ALMA presso la National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti.
Tre regioni chiave del Quintetto di Stephan
La regione al centro dell’onda d’urto principale, soprannominata Campo 6, ha rivelato una gigantesca nuvola di molecole fredde che viene spezzata e allungata in una lunga coda di idrogeno molecolare caldo e ripetutamente riciclata attraverso queste stesse fasi. “Quello che stiamo vedendo è la disintegrazione di una gigantesca nuvola di molecole fredde in un gas super caldo e, curiosamente, il gas non sopravvive allo shock, passa semplicemente attraverso fasi calde e fredde”, ha detto Appleton. “Non comprendiamo ancora appieno questi cicli, ma sappiamo che il gas viene riciclato perché la lunghezza della coda è maggiore del tempo necessario per distruggere le nuvole di cui è composto”.
Questo impianto di riciclaggio intergalattico non è l’unica strana attività risultante dalle onde d’urto. Nella regione soprannominata Campo 5, gli scienziati hanno osservato due nubi di gas freddo collegate da un flusso di gas idrogeno molecolare caldo. Curiosamente, una delle nuvole – che assomiglia a un proiettile ad alta velocità di gas idrogeno freddo che si scontra con un grande filamento filiforme di gas disteso – ha creato un anello nella struttura mentre perforava. L’energia causata da questa collisione sta alimentando l’involucro caldo del gas intorno alla regione, ma gli scienziati non sono del tutto sicuri di cosa significhi perché non dispongono ancora di dati osservativi dettagliati per il gas caldo.
“Una nube molecolare che attraversa il gas intergalattico e lascia il caos dietro di sé potrebbe essere rara e non ancora del tutto compresa”, ha affermato Bjorn Emonts, astronomo della NRAO e co-ricercatore del progetto.
Forse la più “normale” del gruppo è la regione soprannominata Campo 4, dove gli scienziati hanno trovato un ambiente più stabile e meno turbolento che ha permesso al gas idrogeno di collassare in un disco di stelle e ciò che gli scienziati ritengono sia una piccola galassia nana in formazione. “Nel campo 4, è probabile che le grandi nubi preesistenti di gas denso siano diventate instabili a causa dello shock e siano collassate per formare nuove stelle come ci aspettavamo”, ha affermato Pierre Guillard, ricercatore dell’Institut d’Astrophysique de Paris e un co-ricercatore del progetto, aggiungendo che tutte le nuove osservazioni hanno implicazioni significative per i modelli teorici dell’impatto della turbolenza nell’Universo.
“L’onda d’urto nel mezzo intergalattico del Quintetto di Stephan ha formato tanto gas molecolare freddo quanto ne abbiamo nella nostra Via Lattea, eppure, forma stelle a un ritmo molto più lento del previsto. Capire perché questo materiale è sterile è una vera sfida per i teorici. È necessario ulteriore lavoro per comprendere il ruolo degli alti livelli di turbolenza e della miscelazione efficiente tra il gas freddo e quello caldo”.
Prima delle osservazioni di ALMA, gli scienziati non avevano idea che tutto ciò si stesse svolgendo nel mezzo intergalattico del Quintetto di Stephan, ma non è stato per mancanza di tentativi. Nel 2010, il team ha utilizzato il telescopio spaziale Spitzer della NASA per osservare il Quintetto di Stephan e ha scoperto grandi nubi di calore, stimato tra 100° e 400° Kelvin, o all’incirca tra -280° e 260° Fahrenheit , idrogeno molecolare mescolato con il gas surriscaldato. “Queste nuvole avrebbero dovuto essere distrutte dall’onda d’urto su larga scala che si muoveva attraverso il gruppo, ma non lo furono. E volevamo sapere, e vogliamo ancora sapere, come sono sopravvissuti”? disse Appleton.
Per risolvere il mistero, il team aveva bisogno di maggiore e diversa potenza e capacità tecnologica. La prima luce di ALMA si è verificata più di un anno dopo, alla fine del 2011 e il JWST ha catturato le sue prime immagini all’inizio dello scorso anno. La combinazione di queste potenti risorse ha fornito immagini infrarosse straordinariamente belle del Quintetto di Stephan e una comprensione allettante, sebbene incompleta, della relazione tra i gas di idrogeno molecolari freddi, caldi e ionizzati sulla scia dell’onda d’urto gigante. Il team ha ora bisogno di dati spettroscopici per svelare i segreti del gas idrogeno molecolare caldo.
“Queste nuove osservazioni del Quintetto di Stephan ci hanno dato alcune risposte, ma alla fine ci hanno mostrato quanto ancora non sappiamo”, ha detto Appleton. “Mentre ora abbiamo una migliore comprensione delle strutture del gas e del ruolo della turbolenza nel crearle e sostenerle, le future osservazioni spettroscopiche tracceranno i movimenti del gas attraverso l’effetto doppler, ci diranno quanto velocemente si muove il gas caldo, e ci permetteranno di misurare la temperatura del gas caldo e vedere come il gas viene raffreddato o riscaldato dalle onde d’urto”, ha concluso.
Le osservazioni sono state presentate lunedì 9 gennaio 2023, in una conferenza stampa al 241esimo incontro dell’American Astronomical Society (AAS) a Seattle, Washington.
