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Feedback Stellare e Formazione Stellare: Il Ruolo delle Regioni HII nelle Galassie

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Regione HII con formazione stellare attiva S235. Crediti: NASA/JPL-Caltech/UCLA.
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Impatto del feedback stellare pre-supernova sulle regioni HII nelle galassie nane starburst

 

Le regioni HII sono nubi di idrogeno ionizzato prodotte dalla radiazione UV emessa dalle stelle giovani e massicce. Esse sono dunque direttamente collegate alle zone di formazione stellare, dove tali stelle nascono ed evolvono rapidamente: questo veloce sviluppo porta però con sé una serie di effetti sull’ambiente circostante che va sotto il nome di feedback stellare. La difficoltà nello stabilire una relazione tra formazione stellare, regioni HII e associato feedback nei vari tipi di galassie ha incentivato la realizzazione di uno studio sui diversi meccanismi di feedback stellare pre-supernova nelle galassie nane starburst, tipicamente escluse dai cataloghi spettroscopici. Grazie ai promettenti risultati ottenuti dai ricercatori si ricavano importanti informazioni per implementare una modellistica più completa e accurata della formazione stellare nelle galassie in funzione delle proprietà delle regioni HII in esse presenti.

Con feedback stellare si fa riferimento all’insieme degli effetti che le stelle giovani e massicce hanno sull’ambiente circostante quando emettono radiazione ionizzante UV e generano onde di pressione che spazzano il mezzo interstellare. I meccanismi di feedback stellare possono essere quindi di tipo radiativo o meccanico e governare fenomeni astrofisici diversi, come l’espansione delle regioni HII, la formazione stellare e la distribuzione della materia oscura nelle galassie nane. In particolare, recenti indagini hanno mostrato che il feedback stellare pre-supernova (i.e., relativo al periodo precedente l’esplosione di supernova) delle stelle con massa ≳8 M⊙, ricopre un ruolo sostanziale nella regolazione della formazione stellare nelle galassie a spirale, ma poco chiaro in quella nelle galassie nane. Ciononostante, codeste si configurano come laboratori ideali per testare questo genere di feedback per via della loro minore densità di gas e stelle, che contrasta la schermatura del fronte d’onda fotonico. Utilizzando degli strumenti chiamati IFUs (integral field units, i.e., unità a campo integrale) per costruire immagini spettroscopiche in 2D, è possibile risolvere in dettaglio le regioni HII esito dell’azione del feedback stellare, definendo in tal modo le proprietà sia del gas ionizzato costituente sia delle stelle ionizzanti. L’applicazione della spettroscopia IFU alle regioni di formazione stellare nella Via Lattea e ad altre galassie vicine con formazione stellare attiva ha permesso la creazione di un vasto database di regioni HII, da poco ampliato proprio con l’inclusione delle galassie nane. In un recente lavoro di ricerca sono state infatti campionate dall’archivio dati della survey DWALIN tre galassie nane starburst (i.e., J0921, KKH046 e Leo P), osservate con l’IFU MUSE montato sul telescopio VLT, per analizzare la dipendenza del feedback stellare pre-supernova dalle caratteristiche del mezzo interstellare in esse presente. Dopo aver determinato i confini di 30 regioni HII attraverso mappe di emissione della riga Hα, ne sono stati selezionati gli spettri integrati e si è proceduto al fit delle loro principali righe di emissione con profili gaussiani allo scopo di derivare i valori della densità elettronica, della luminosità e dell’abbondanza di ossigeno (indicatore della metallicità) del gas ionizzato.

Immagini spettroscopiche in 2D delle regioni HII nelle galassie nane campionate J0921, KKH046 e Leo P
ricavate dalle seguenti righe di emissione: [SII]λ6716 (colore rosso), Hα (colore verde) e [OIII]λ5007 (colore
blu). Crediti: arXiv.
Mappe di emissione della riga Hα realizzate per le regioni HII delle galassie nane campionate J0921,
KKH046 e Leo P, corrispondenti alle immagini precedenti. Crediti: arXiv.

In virtù di queste informazioni si è potuto allora esaminare il contributo di due diverse specificazioni del feedback stellare pre-supernova, ovvero la fotoionizzazione e la pressione diretta di radiazione, al variare della regione HII scelta. Esse possono essere quantificate mediante i corrispettivi termini di pressione: la pressione termica del gas ionizzato dai singoli fotoni della radiazione stellare Pion e la pressione meccanica generata dal momento trasmesso dalla radiazione stessa nel suo complesso all’ambiente Pdir. Il successivo confronto con studi simili condotti in galassie più massicce, come quelle oggetto della survey PHANGS, ha consentito non solo di verificare, ma anche di generalizzare i risultati ottenuti.

Porzione dello spettro della regione HII 1 nella galassia nana KKH046 estratta dal database MUSE. Essa
contiene le righe di emissione più importanti studiate dai ricercatori e mostra i profili di riga gaussiani con cui
sono state modellizzate (in rosso). La finestra blu evidenzia invece la riga dell’idrogeno Hβ e il doppietto
dell’ossigeno terzo [OIII]λ4959,5007. Crediti: arXiv.
Ora, le regioni HII si espandono spinte da Pion o da Pdir: ergo, si può assumere che la loro dimensione sia indice del loro stato evolutivo. Poiché sia Pion che Pdir decrescono nel tempo, ma la prima è maggiore della seconda nelle regioni HII larghe circa 10−100 pc, si deduce che entrambi i meccanismi di feedback perdono progressivamente potere e che la pressione diretta di radiazione diventa meno importante della fotoionizzazione. Inoltre, le regioni HII nelle tre galassie campionate appaiono più estese rispetto a quelle della survey PHANGS in quanto le galassie nane contengono solitamente stelle povere di metalli. Tali stelle emettono un’aumentata quantità di fotoni ionizzanti responsabile dell’incremento di Pion: ciò comporta dunque una più rapida espansione delle regioni HII. Si individua, infine, un’ulteriore correlazione con il contenuto di polveri di suddette regioni: bassa metallicità significa ridotto contenuto di polveri e, di conseguenza, minor inibizione dell’effetto ionizzante della radiazione stellare UV. Per converso, insomma, regioni HII ricche di metalli si presentano più compatte e dominate da Pdir.

Mappe di emissione della riga Hα realizzate per le regioni HII delle galassie nane campionate J0921,
KKH046 e Leo P, corrispondenti alle immagini precedenti. Crediti: arXiv.

Ricapitolando, dall’indagine sulle tre galassie nane J0921, KKH046 e Leo P emerge che il feedback stellare pre-supernova dipende dallo stato evolutivo (i.e., dall’estensione), dalla metallicità e dal contenuto di polveri delle regioni HII originate dalla radiazione UV proveniente da stelle giovani e massicce. I meccanismi di fotoionizzazione e di pressione diretta di radiazione tendono ad essere mutuamente esclusivi e a prevalere l’uno in regioni HII più evolute (i.e., più estese), meno metalliche e con scarso contenuto di polveri, e l’altro in regioni HII meno evolute (i.e., meno estese), più metalliche e con elevato contenuto di polveri. Tuttavia, la forza dei relativi termini di pressione Pion e Pdir diminuisce a mano a mano che l’espansione delle regioni HII procede, a dispetto della configurazione fisica di queste. Si tratta, in definitiva, di risultati notevoli, che facilitano l’esplorazione degli effetti del feedback stellare anche in sistemi meno massivi e ricchi di metalli come le galassie nane starburst, andando pertanto a delineare una precisa relazione con le proprietà dell’associato mezzo interstellare. Una conclusione felice per la modellistica teorica, che potrà d’ora in avanti disporre di nuovi strumenti per simulare in maniera più completa e realistica la formazione stellare all’interno delle galassie.

 

Fonte: arXiv.


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