Ammassi di galassie in formazione: ora è possibile confrontare simulazioni e osservazioni

Avanzate simulazioni cosmologiche hanno permesso di calcolare le proprietà nel lontano infrarosso (radiazione con lunghezza d’onda di circa 0.1-0.5 mm) di ammassi di galassie in formazione, quando l’universo aveva un’età di pochi miliardi di anni (cioè meno di un terzo di quella attuale). Il lavoro è stato appena pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society da un gruppo di cui fanno parte numerosi ricercatori dell’INAF-OATS (Gian Luigi Granato, Cinthia Ragone-Figueroa, Rosa Dominguez—Tenreiro, Aura Obreja, Stefano Borgani, Gabriella De Lucia e Giuseppe Murante) - leggilo su arxiv

 

Le previsioni teoriche delle simulazioni sono state confrontate con le ultime osservazioni dei satelliti infrarossi Herschel e Planck che suggeriscono livelli di formazione stellare enormi. A causa dell’oscuramento della polvere interstellare presente principalmente nel gas che si condensa in stelle, l'attività di formazione stellare resta rilevabile solo nel lontano infrarosso.

Grazie a un sofisticato programma di trasporto radiativo (GRASIL3D) sviluppato recentemente da alcuni componenti del gruppo di lavoro, si sono potute confrontare le simulazioni direttamente con le osservazioni. GRASIL3D calcola gli effetti della polvere sulla radiazione primaria. In particolare, le particelle di polvere sono responsabili per l'assorbimento di fotoni nello spettro ultra-violetto e visibile, prodotti da stelle e nuclei galattici attivi, e la ri-emissione nelle regioni del lontano infrarosso. Questa è la prima volta che predizioni tanto elaborate vengono calcolate per simulazioni di ammassi di galassie.

Gli ammassi di galassie sono enormi raggruppamenti di galassie legate dalla gravitazione che possono contare anche migliaia di galassie in uno spazio che copre una distanza di alcuni milioni di anni luce e che, mediamente, è invece occupato solo da poche galassie. Nell’universo odierno, a circa 14 miliardi di anni dal big bang, gli ammassi sono composti prevalentemente da galassie caratterizzate da pochissima formazione di stelle. Numerose osservazioni suggeriscono che la maggior parte delle loro stelle si siano formate nei primi miliardi di anni della vita dell’universo, durante una fase piuttosto breve su scala cosmologica, ma straordinariamente intensa. Le immagini nel lontano infrarosso recentemente raccolte dai satelliti Herschel e Planck, sembrano aver finalmente permesso di osservare direttamente questa fase, che pare coincidere con il periodo in cui le proto galassie si sono raggruppate per formare l’ammasso. Questo comportamento è ancora piuttosto problematico da spiegare dal punto di vista teorico.

Il risultato principale dello studio appena pubblicato è che le simulazioni tuttora predicono livelli di luminosità infrarossa ben inferiori a quelli osservati, a causa di una attività di formazione stellare troppo dilatata nel tempo. Ciò da una parte produce all’epoca attuale troppe stelle, e d’altra parte non vengono mai raggiunti tassi di formazione stellare comparabili con quelli suggeriti dalle osservazioni. Con ogni probabilità la causa è da ricercare nella trattazione ancora insufficiente dei processi che avvengono su scale inferiori a quelle della risoluzione delle simulazioni. Quest’ultimi comprendono processi astrofisici fondamentali per determinare le proprietà delle galassie, come la formazione stellare, l’accrescimento sui buchi neri super-massivi che causa l’attività nucleare nelle galassie, e gli effetti che questi fenomeni producono nel mezzo interstellare. Sia per la mancanza di risoluzione che per una limitata comprensione teorica, tali processi vengono trattati con metodi alquanto approssimati nelle simulazioni cosmologiche. Il miglioramento di questo “punto debole” delle simulazioni è un campo di ricerca estremamente attivo in generale, ed in particolare all’INAF-OATS.

 

Immagini prodotte da GRASIL3D per i due proto-ammassi più luminosi simulati dal nostro gruppo di lavoro. Le immagini si riferiscono ad un’epoca in cui l’universo aveva “solo” 3 miliardi di anni (z=2), ed ad una lunghezza d’onda di 350 micron ovvero 0.35 mm (lontano infrarosso). Quest’ultima corrisponde ad una delle `bande' osservate dal satellite Herschel. Le immagini sono state degradate alla  relativamente scarsa risoluzione angolare (25 arcsec) del satellite. I livelli di flusso, indicati dalla scala di colori sulla destra di ciascuna immagine, sono troppo bassi per permetterne la rivelazione da parte di Herschel che ha invece osservato centinaia di sorgenti nel cielo.