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Piccole Galassie Crescono ~ Growing Galaxies Gently

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Galassie primordiali “ingrassate” dall’idrogeno. L’idrogeno è l’elemento chimico più leggero presente in natura, composto solo da un protone e un elettrone. Ma se assunto in grandi dosi, anzi in dosi smisuratamente grandi, può creare problemi di “linea” anche alle galassie. Ne sono convinti i ricercatori italiani che in un lavoro pubblicato nell’ultimo numero della rivista Nature propongono un nuovo scenario sull’evoluzione delle prime galassie dell’Universo: si sarebbero accresciute catturando enormi quantità di gas, essenzialmente idrogeno ed elio, presente in regioni di spazio vicine ad esse. Una teoria alternativa a quella oggi maggiormente accettata dagli astronomi. Che cioè siano stati drammatici e spettacolari scontri fra galassie a formare gli oggetti più massicci osservati, come ad esempio la nostra Via Lattea. “Da qualche anno alcuni modelli teorici e osservazioni di galassie lontane hanno cominciato a suggerire che l’assorbimento continuo di gas potesse essere uno dei meccanismi principali che guida la formazione di nuove stelle nelle galassie più massicce dell’Universo primordiale” spiega Giovanni Cresci, dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, primo autore dell’articolo. “Tuttavia mancava ancora l’osservazione diretta di questo gas all’interno delle galassie stesse: grazie agli innovativi e potenti strumenti del Very Large Telescope (VLT) ci siamo finalmente riusciti”. Determinante per la scoperta è stato SINFONI, lo spettrografo installato al telescopio VLT dello European Southern Observatory (ESO) in Cile. Grazie alle sue caratterisitche di avanguardia, è stato utilizzato

dagli astronomi per indagare la composizione chimica del gas presente in tre galassie a disco, distanti oltre 12 miliardi di anni luce da noi e che quindi si erano già formate solo 2 miliardi di anni dopo il Big Bang. Il punto di forza di SINFONI è la sua capacità di fornire informazioni su come è distribuita la materia nelle galassie e, soprattutto, da cosa è composta. Questo ha permesso di studiare per la prima volta in galassie così distanti la variazione della composizione chimica del gas dal loro centro fin verso la periferia. In ognuna delle tre galassie sono state individuate alcune zone vicine al centro e ricche di stelle in formazione, ma assai povere di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno. Una scoperta sorprendete, che è in disaccordo con le previsioni fornite dalla maggior parte dei modelli teorici di evoluzione chimica e a quello che si osserva in galassie vicine a noi, dove la quantità di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno diminuisce via via che ci si sposta verso regioni esterne della galassia. Le osservazioni confermano così lo scenario in cui la formazione di nuove stelle è associata all’accrescimento di gas primordiale nelle regioni centrali: le zone esterne delle galassie sono arricchite in elementi pesanti prodotti all’interno delle stelle, mentre la scarsezza di elementi pesanti in quelle prossime al centro è dovuta al nuovo gas extragalattico, quasi totalmente composto da idrogeno. “Molti dei modelli di formazione ed evoluzione delle galassie andranno ripensati alla luce di questi risultati” prosegue Cresci. “Ed è grande la soddisfazione che un tassello così importante del mosaico sia stato ottenuto dal nostro gruppo di ricerca, tutto italiano”. Soddisfazione condivisa anche dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), che ha in parte finanziato l’attività di ricerca del team: “ASI da anni supporta lo studio dell’Universo attraverso il finanziamento sia di attività di sviluppo di modelli teorici

che di analisi dati, finalizzate alla progettazione di nuovi strumenti per le future missioni spaziali” dice Barbara Negri, Responsabile dell’Unità Esplorazione e Osservazione dell’Universo dell’Agenzia Spaziale Italiana. Growing Galaxies Gently. New observations from ESO’s Very Large Telescope have, for the first time, provided direct evidence that young galaxies can grow by sucking in the cool gas around them and using it as fuel for the formation of many new stars. In the first few billion years after the Big Bang the mass of a typical galaxy increased dramatically and understanding why this happened is one of the hottest problems in modern astrophysics. The results appear in the 14 October issue of the journal Nature. The first galaxies formed well before the Universe was one billion years old and were much smaller than the giant systems — including the Milky Way — that we see today. So somehow the average galaxy size has increased as the Universe has evolved. Galaxies often collide and then merge to form larger systems and this process is certainly an important growth mechanism. However, an additional, gentler way has been proposed. A European team of astronomers has used ESO’s Very Large Telescope to test this very different idea — that young galaxies can also grow by sucking in cool streams of the hydrogen and helium gas that filled the early Universe and forming new stars from this primitive material. Just as a commercial company can expand either by merging with other companies, or by hiring more staff, young galaxies could perhaps also grow in two different ways — by merging with other galaxies or by accreting material. The team leader, Giovanni Cresci (Osservatorio Astrofisico di Arcetri) says: “The new results from the VLT are the first direct evidence that the accretion of pristine gas really happened and was enough

to fuel vigorous star formation and the growth of massive galaxies in the young Universe.” The discovery will have a major impact on our understanding of the evolution of the Universe from the Big Bang to the present day. Theories of galaxy formation and evolution may have to be re-written. The group began by selecting three very distant galaxies to see if they could find evidence of the flow of pristine gas from the surrounding space and the associated formation of new stars. They were very careful to make sure that their specimen galaxies had not been disturbed by interactions with other galaxies. The selected galaxies were very regular, smoothly rotating discs, similar to the Milky Way, and they were seen about two billion years after the Big Bang (at a redshift of around three). In galaxies in the modern Universe the heavy elements [1] are more abundant close to the centre. But when Cresci’s team mapped their selected distant galaxies with the SINFONI spectrograph on the VLT [2] they were excited to see that in all three cases there was a patch of the galaxy, close to the centre, with fewer heavy elements, but hosting vigorously forming stars, suggesting that the material to fuel the star formation was coming from the surrounding pristine gas that is low in heavy elements. This was the smoking gun that provided the best evidence yet of young galaxies accreting primitive gas and using it to form new generations of stars. As Cresci concludes: “This study has only been possible because of the outstanding performance of the SINFONI instrument on the VLT. It has opened a new window for studying the chemical properties of very distant galaxies. SINFONI provides information not only in two spatial dimensions,

but also in a third, spectral dimension, which allows us to see the internal motions inside galaxies and study the chemical composition of the interstellar gas.” Notes; [1] The gas filling the early Universe was almost all hydrogen and helium. The first generations of stars processed this primitive material to create heavier elements such as oxygen, nitrogen and carbon by nuclear fusion. When this material was subsequently spewed back into space by intense particle winds from massive young stars and supernova explosions the amounts of heavy elements in the galaxy gradually increased. Astronomers refer to elements other than hydrogen and helium as “heavy elements”. [2] By carefully splitting up the faint light coming from a galaxy into its component colours using powerful telescopes and spectrographs, astronomers can identify the fingerprints of different chemicals in remote galaxies, and measure the amounts of heavy elements present. With the SINFONI instrument on the VLT astronomers can go one better and get a separate spectrum for each part of an object. This allows them to make a map that shows the quantity of heavy elements present in different parts of a galaxy and also determine where in the galaxy star formation is occurring most vigorously. More information; This research was presented in a paper, Gas accretion in distant galaxies as the origin of chemical abundance gradients, by Cresci et al., to appear in Nature on 14 October 2010. The team is composed of G. Cresci (Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italy), F. Mannucci (Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italy), R. Maiolino (INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), A. Marconi (Universitá di Firenze, Italy), A. Gnerucci

(Universitá di Firenze, Italy) and L. Magrini (Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italy). ESO, the European Southern Observatory, is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive astronomical observatory. It is supported by 14 countries: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and VISTA, the world’s largest survey telescope. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning a 42-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”. Contacts: Giovanni Cresci Osservatorio Astrofisico di Arcetri Italy.  Douglas Pierce-Price ESO Garching bei München, Germany. Richard Hook ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey telescopes Public Information Officer Garching, Germany. Sources: Università di Firenze, Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) inaf.it & ESO European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere  eso.org

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