ABSTRACT

Volete vedere un’immagine in cui galassie vicine ma con estrema profondità? Grazie al programma VST-SMASH, questo è finalmente possibile. Con un solo colpo d’occhio, possiamo osservare dettagli delle galassie più vicine e scoprire nuove strutture in quelle più lontane, grazie alla combinazione di ampie osservazioni del cielo e una risoluzione senza precedenti. Il VST (VLT Survey Telescope) ci regala immagini mozzafiato di galassie iconiche come NGC 5236, la “Galassia Girandola del Sud”, ma anche scorci di mondi lontanissimi, come la galassia spirale ESO 499-37, situata a 45 milioni di anni luce. Immergetevi in un viaggio attraverso l’Universo, dove l’antico e il remoto si intrecciano in una danza di luce che rivela i segreti dell’evoluzione galattica.

Immagini profonde di galassie vicine e grandi, lo facciamo col VST in un sol colpo

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Sono passati circa 100 anni dalla notte del 5 ottobre 1923, quando l’astronomo americano Edwin Hubble pose fine al dibattito sull’esistenza di galassie al di fuori della Via Lattea. Scoprì che Andromeda, la Grande Nebulosa di Andromeda, non era una nebulosa all’interno della nostra galassia, ma una galassia separata, una vera a propria galassia. Presto vennero scoperte molte altre galassie: compagne della Via Lattea, di tutte le forme e dimensioni, e poi galassie sempre più lontane. Gli astronomi iniziarono a catalogarle, creando elenchi che contenevano poche migliaia di galassie fino agli anni ’70, per poi passare a decine/centinaia di migliaia negli anni ’90, fino ai milioni e miliardi di oggi. Stiamo vivendo l’era dei Big Data, gli anni dell’astronomia dei grandi numeri, ottenuti grazie a telescopi con ampi campi di vista come Euclid e Rubin, e possiamo osservare galassie nelle primissime fasi della storia dell’universo con i telescopi Hubble e James Webb.

Per la maggior parte della mia carriera, mi sono occupato dell’analisi statistica di grandi campioni di galassie: determinandone le masse, le dimensioni, le distanze, le luminosità e i moti stellari. Lavoravo su numeri in tabelle, che potevo studiare e analizzare, per spiegare la fisica dietro le correlazioni tra i parametri. Con grandi campioni di galassie di diverse proprietà, masse e distanze, attraverso il confronto con modelli teorici e simulazioni cosmologiche, gli astrofisici possono vincolare processi fisici che hanno contribuito alla loro formazione: gli effetti della regina incontrastata, la gravità, e poi le interazioni e le fusioni (merging in inglese) con altre galassie, l’ambiente galattico, la formazione stellare e processi come i venti di Supernovae o gli energetici getti dei nuclei galattici attivi, che possono incentivare o bloccare la formazione stellare. E’ questo che fanno molti astrofisici che lavorano per capire la formazione e l’evoluzione delle galassie. Altri, storicamente, si sono concentrati su galassie specifiche, vicine ed estese nel cielo, raccogliendo una moltitudine di dati per studiarle in dettaglio, con la massima risoluzione spaziale e spettrale e utilizzando dati di elevata qualità. Queste galassie, vicine, grandi e iconiche, non sono solo identificativi anonimi in un catalogo o nomi assegnati attraverso le loro coordinate celesti, ma hanno nomi veri e propri, degni di chi è importante, speciale, unico: Galassia Triangolo, Galassia Vortice, Galassia Sigaro, Galassia di Andromeda o Galassia Sombrero.

In passato era possibile ottenere dati limitati per molte galassie e dati dettagliati solo per poche. Il futuro, però, ci permetterà di unire questi due approcci e ottenere dati di alta qualità per un numero enorme di galassie. Con i dati del telescopio Euclid e la survey LSST del telescopio Rubin, potremo analizzare campioni di miliardi di galassie lontane, piccole e poco risolte nelle immagini, e centinaia di migliaia di galassie vicine, risolte nei minimi dettagli come mai prima d’ora.

Euclid osserverà un terzo dell’intera volta celeste (circa 14.000 gradi quadrati). Grazie alla combinazione dell’enorme area del cielo osservata, alla strategia osservativa e alla risoluzione spaziale, fornirà una visione unica dell’universo e delle galassie, dalle più vicine alle più lontane, con una qualità delle immagini senza precedenti. Combinando l’approccio statistico e quello dettagliato su singole galassie, potremo studiare decine di migliaia di galassie vicine in modo molto dettagliato, rispondendo a domande ancora irrisolte sull’evoluzione galattica: in quali condizioni ambientali si formano le galassie, come evolvono, come si formano e vengono accresciute le stelle al loro interno, come le interazioni con altre galassie, i venti di Supernova o i getti dei nuclei galattici attivi impattano la formazione del gas in stelle, qual è la natura della materia oscura, una componente di materia elusiva e sconosciuta che sembra rappresentare circa l’80% della materia nell’universo, ma che non abbiamo ancora osservato direttamente.

Aspettando i dati che Euclid e Rubin raccoglieranno nel prossimo futuro, abbiamo avviato il programma osservativo VST-SMASH ( Survey of Mass Assembly and StructureHierarchy ) per osservare, con i filtri fotometrici g (green, verde, centrato sui 4800 Angstrom), r (red, rosso, centrato sui 6300 Angstrom) e i (near infrared, vicino infrarosso, centrato sui 7500 Angstrom) un campione di 27 galassie vicine, entro circa 30 milioni di anni luce, nell’emisfero sud, che saranno osservate da Euclid nei prossimi anni. Con circa 2 ore e mezzo di osservazioni nelle bande g  e r, grazie alle splendide condizioni atmosferiche al Cerro Paranal in Cile, e al grande campo di vista di 1 grado quadrato (300 volte maggiore del campo di vista della camera ACS del telescopio Hubble), il VLT Survey Telescope (VST) riesce ad osservare galassie vicine e l’ambiente attorno a loro in un sol colpo. Studieremo le popolazioni stellari, dalle regioni più luminose a quelle più deboli e diffuse, fino alle periferie galattiche, catalogando e studiando ammassi stellari e galassie nane molto deboli, compagne delle galassie più grandi. Le galassie nane sono i mattoni dell’evoluzione galattica e studiandone le proprietà stellari e il contenuto di materia oscura possiamo capire come avvengono i processi di merging e vincolare la natura della materia oscura.

All’interno del programma VST-SMASH, osserveremo galassie di diversa massa e tipologia, dalle nane irregolari fino alle spirali più luminose e massive, simili alla nostra Via Lattea. Il nostro campione include tre galassie nane irregolari: NGC 3109, Sestante A e la galassia nana Antlia (anche chiamata Galassia Nana della Macchina Pneumatica), situate ad una distanza di circa 4.3 milioni di anni luce (Figura 1). Fanno parte del Gruppo Locale, che contiene anche la nostra Via Lattea. Assieme a Sestante B e Leo P fanno parte della stessa associazione di galassie, e si dispongono lungo una struttura molto allungata e filamentosa. Sono talmente vicine che usando telescopi da Terra come il VST, riusciamo a risolvere le stelle e a studiarne le proprietà fotometriche. Nel genere di galassie, osserviamo una predominanza di stelle blu (e quindi più giovani) al centro, e invece nelle regioni più esterne, nell’alone galattico, dominano le giganti rosse. Sestante A e Antlia hanno delle peculiari forme squadrate. Antlia ha una massa stellare di circa 2-4 milioni di masse solari, Sestante A ha una massa di 200 milioni di masse solari, mentre NGC 3109 ha una massa 10 volte maggiore di Sestante A e 1000 volte superiore a quella di Antlia.

Passiamo da galassie nane ai mostri del nostro campione, due stupende galassie a spirale viste di faccia (Figura 2). NGC 5236 o M83, una di quelle che ha un bel nome proprio, è la Galassia Girandola del Sud.  È situata a 15 milioni di anni luce, è al centro di un gruppo di galassie vicino al nostro, e ha una massa stellare di circa 200 miliardi di masse solari, mille volte maggiore quella di Sestante A. E poi IC 5332, a circa 30 milioni di anni luce da noi, ha una massa di circa 20 miliardi di masse solari, si fa notare per la sua complessa struttura di bracci a spirale. Entrambe le galassie si contraddistinguono per una caratteristica comune a tutte le galassie a spirale, e cioè un nucleo centrale (bulge) rosso (costituito da stelle più vecchie e con più metalli) e dei bracci a spirale dove iniziano ad abbondare stelle più blu, più giovani, dove sta avvenendo la trasformazione del gas in stelle; il colore blu accentuato è evidente soprattutto nel caso di IC 5332.  Tra le galassie che sto presentando, c’è anche NGC 5253 (Figura 2), è una delle compagne di NGC 5236, è anch’essa una galassia irregolare con un’elevata formazione stellare. La sua massa è intermedia tra quella di Sestante A e NGC 3109, ma è molto più distante e quindi, in maniera simile a NGC 5236, NGC 5253 e il resto delle galassie nel nostro campione, non riusciamo a risolvere le stelle al suo interno, ma possiamo studiarne le proprietà solo attraverso la luce diffusa.

Il grande campo di vista ci consente di avere in regalo immagini di altre galassie che non fanno parte del nostro campione. In Figura 3 mostriamo le immagini di due galassie di esempio osservate nel campo di NGC 3109, due galassie a spirale molto più distanti: ESO 499-37 e IC 2537.

Nonostante nei prossimi 5 anni Euclid si destinato a superare enormemente in prestazioni il VST, rivoluzionando la nostra comprensione dell’universo e delle galassie vicine e lontane, questo gioiello napoletano resta uno strumento che può ancora dire la sua. Il programma VST-SMASH otterrà immagini molto profonde nelle tre bande ottiche g, r e i, complementari in termini di copertura in lunghezza d’onda rispetto ai filtri del telescopio spaziale Euclid. E i nostri dati raggiungeranno una profondità che la survey LSST del telescopio Rubin otterrà solo quando verrà completata, dopo 10 anni dall’inizio delle osservazioni.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 270 VERSIONE CARTACEA