Serenity-18: la stele di Rosetta della formazione delle galassie

Misurata per la prima volta l'abbondanza di gas molecolare in una galassia primordiale osservata quando l'Universo aveva solo un miliardo di anni. Il team, guidato da Valentina D'Odorico e Chiara Feruglio in forza all'Osservatorio, ha anche identificato un addensamento/filamento di gas estremamente povero di elementi pesanti in probabile accrescimento sulla galassia. In particolare, Serenity-18 è la prima galassia di sequenza principale ad alto redshift (z ~ 6) per la quale è stata identificata l'emissione di CO (monossido di carbonio). Sia l'osservazione del CO che del filamento di gas pristino sono importanti tasselli della nostra comprensione delle fasi iniziali di formazione di stelle e galassie, alla fine dell'epoca della ri-ionizzazione. (link articolo)

La prima misura del gas molecolare in una galassia tipica osservata quando l'Universo aveva solo 1 miliardo di anni è stata effettuata da un team guidato da Valentina D'Odorico e Chiara Feruglio dell’ INAF Osservatorio di Trieste. Nelle vicinanze di questa galassia, ribattezzata Serenity-18, i ricercatori hanno scoperto anche un piccolo ammasso/filamento di gas a bassissima metallicita’, che probabilmente sta alimentando la crescita di questa baby-galassia nell’Universo primordiale. I risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters (link articolo).

I modelli teorici e le simulazioni cosmologiche idrodinamiche piu’ avanzate prevedono che le prime galassie all’Alba Cosmica si siano formate in regioni dello spazio sovra-dense, probabilmente all’incrocio di filamenti di gas cosmici. Attraverso di essi, le galassie accrescono il gas primordiale, arricchito con pochissimi metalli, necessario per la loro evoluzione (Fig. 1). Nonostante oggi siano note molte galassie primordiali a redshift z=6-10 - principalmente osservate tramite le righe di emissione Ly alpha e [CII] - questo particolare meccanismo di assemblaggio attraverso filamenti cosmici non era mai stato direttamente osservato.

Serenity-18 e’ stata localizzata a redshift z=5.939, in prossimita` della fine dell’ epoca della reionizzazione (EoR), ed e’ stato possibile misurarne il contenuto di gas molecolare, M(H2) = 5 × 109 M⊙, tracciato da una riga di emissione del monossido di carbonio (CO, Fig. 2). Questa misura e’ di grande rilevanza in quanto il gas molecolare e’ il materiale da cui si formano le stelle. La detezione del CO in Serenity-18 e’ stata possibile grazie a un’osservazione estremamente sensibile fatta con l’ Atacama Large (Sub)Millimetre Array (ALMA). La luminosita’ infrarossa totale di Serenity-18 e’ stimata in circa L(FIR) ≈ 1.2 × 1012 L⊙, corrispondente a un tasso di formazione stellare di circa ≈ 100 M⊙ yr−1. Serenity-18 e’ quindi la prima galassia di sequenza principale (ovvero una galassia “tipica”) a z~6 per cui e’ stato rivelato il CO.

Forse ancora piu’ interessante, e’ la concomitante scoperta di gas di abbondanza quasi primordiale - ad una metallicita’ di circa 1/1000 di quella solare - nelle vicinanze della galassia, attraverso la detezione di un assorbitore damped Lyman-α (DLA) osservato allo stesso redshift della galassia, ad una distanza trasversale di 40 kpc dalla stessa, sulla linea di vista del quasar SDSS J2310+1855 (che si trova a zem = 6.0025), grazie a dati X-SHOOTER/VLT. La configurazione del sistema galassia-filamento e’ mostrata schematicamente in Fig. 3. Le abbondanze chimiche misurate per il DLA sono in accordo con quelle di altri DLA noti a redshift simile, ed indicano arricchimento chimico dovuto a una sola generazione di stelle Pop II. L’interpretazione preferita e’ che questo gas a bassa metallicita’ tracci un filamento o un piccolo ammasso cosmico, che sta probabilmente “nutrendo” la crescita della baby galassia, Serenity-18.

Il sistema galassia + filamento e’ la prima osservazione diretta dell’ assemblaggio di una galassia tipica all’alba cosmica, e pertanto si potrebbe dire che e’ stata svelata la Stele di Rosetta della formazione delle galassie.

Figura 1. Mappe della densita’ colonnare di HI (sinistra) e della metallicita’ del gas (destra) per una galassia simulata a z~6. La galassia e’ visibile  al centro di ciascun pannello (da Pallottini et al. 2017). Ciascuna mappa misura 80 kpc di lato. Serenity-18 ha caratteristiche molto simili a quelle di questa galassia simulata, e il DLA osservato potrebbe tracciare il gas nel filamento o alla periferia di uno dei piccoli clump/satelliti che sono immersi nello stesso filamento dove vive la galassia, e che sta nutrendo la sua crescita. Immagini di Andrea Pallottini.

 

Figura 2. [Pannello a sinistra]: la mappa della riga di emissione CO(6-5) di Serenity-18 (indicata dalla freccia bianca). I contorni sono 2, 3, 4, 5σ, 1σ = 5.1 μJy/beam. [Pannello centrale]: visione zoomed-in su Serenity-18. [Pannello a destra]: lo spettro di Serenity-18  intorno alla riga CO(6-5) osservato con  ALMA. La curva rossa e’ un fit gaussiano della riga di emissione. La riga rossa verticale mostra la frequenza della riga aspettata in base al redshift del DLA detettato nello spettro X-SHOOTER in Fig. 2. Figura da D’Odorico et al. (2018).

 

Figura 3. [Pannello a sinistra]: Sketch del sistema di Serenity-18 e il suo DLA associato. La distanza angolare tra la galassia e il DLA, corrispondente a 40 kpc, dimostra che il sistema di gas primordiale non e’ localizzato nel disco di Serenity-18, ma in una regione esterna alla galassia, probabilmente un filamento cosmico.  Image credits Valentina D’Odorico.  [Pannello a destra]: Fit spettrale delle transizioni osservate per il DLA nello spettro del QSO J2310. Per ciascun pannello, lo spettro osservato e’ mostrato in blu, l’errore associato in rosso, e il fit in verde. Il pannello superiore mostra il fit della riga Ly-α. Figura da D’Odorico et a. (2018).