Comprendere il tasso di formazione stellare (SFR) in una galassia è fondamentale per capire la galassia stessa. Alcune galassie sono galassie starburst con SFR estremamente elevati, altre sono galassie spente o quiescenti con SFR molto bassi e altre si trovano in una situazione intermedia. I ricercatori hanno utilizzato il JWST per osservare una coppia di galassie al Cosmic Noon che stanno appena iniziando a fondersi, per vedere come varia il SFR in diverse regioni di entrambe le galassie.

Una rara allineamento di oggetti massicci nello spazio ha permesso agli astronomi che usano il James Webb Space Telescope di osservare una coppia di galassie antiche e lontane che stanno appena iniziando a interagire e fondersi. Il JWST osserva le galassie come erano circa sette miliardi di anni fa, vicino alla fine del Cosmic Noon dell’Universo. Il Cosmic Noon fu il periodo in cui la formazione stellare raggiunse il suo apice.
Una delle galassie è blu, vista frontalmente, e l’altra è rossa, polverosa, vista di lato. Il JWST può vederle solo grazie a un ammasso di galassie interposto, chiamato MACS-J0417.5-1154. Questo è un obiettivo gravitazionale che ingrandisce la luce della coppia di galassie e distorce la luce delle stesse in un arco.
Gli astronomi hanno scoperto molti obiettivi gravitazionali e li usano regolarmente per osservare oggetti che sarebbero altrimenti quasi impossibili da vedere. Ma questo obiettivo è diverso. È un obiettivo gravitazionale iperbolico e produce immagini multiple dello stesso oggetto, ognuna con un diverso ingrandimento e luminosità.
“Sappiamo che esistono solo tre o quattro occorrenze di configurazioni simili di lenti gravitazionali nell’universo osservabile, il che rende questa scoperta entusiasmante, poiché dimostra il potere del Webb e suggerisce che probabilmente ne troveremo di più,” ha affermato l’astronomo Guillaume Desprez dell’Università di Saint Mary a Halifax, Nuova Scozia. Desprez lavora con il CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS), il team che presenta i risultati del Webb.
Non solo l’ammasso ingrandisce le galassie di sfondo lontane, ma ne deforma anche l’aspetto e produce copie multiple. Insieme a una galassia non correlata, le galassie combinano per sembrare un punto interrogativo. Sono state soprannominate il Question Mark Galaxy Pair.
Le immagini a colori falsi del Question Mark Pair e di MACS J0417.5?1154 (pannello di destra). I due pannelli a sinistra sono immagini ingrandite di quattro delle immagini multiplemente lenti del Question Mark Pair, prese con HST e JWST. Confrontando le immagini JWST e HST, possiamo vedere quanto sia polverosa la galassia rossa vista di lato, poiché è appena visibile nell’imaging HST/ACS. Immagine credit: Estrada-Carpenter et al. 2024.
Questa non è la prima volta che gli astronomi hanno osservato queste galassie. L’Hubble le ha osservate in precedenza. Ma l’Hubble e il JWST vedono le cose in modo diverso. Il JWST può vedere lunghezze d’onda più lunghe della luce infrarossa che passano attraverso la polvere cosmica, mentre l’Hubble vede solo le lunghezze d’onda di luce intrappolate nella polvere. Pertanto, l’Hubble non riusciva a rilevare la forma a punto interrogativo, mentre il JWST sì.
“Questo è semplicemente bello da vedere. Immagini straordinarie come questa sono il motivo per cui ho intrapreso l’astronomia quando ero giovane,” ha affermato l’astronomo Marcin Sawicki dell’Università di Saint Mary, uno dei principali ricercatori del team.
Ma la forma a punto interrogativo è solo una curiosità visiva interessante. La ricerca riguarda la formazione stellare, e questi risultati evidenziano la capacità del JWST di identificare le regioni di formazione stellare in galassie lontane.
“Conoscere quando, dove e come avviene la formazione stellare all’interno delle galassie è cruciale per comprendere come le galassie siano evolute nel corso della storia dell’universo,” ha affermato l’astronomo Vicente Estrada-Carpenter dell’Università di Saint Mary. Estrada-Carpenter ha utilizzato sia i dati ultravioletti dell’Hubble che quelli infrarossi del Webb per mostrare dove si stanno formando nuove stelle nelle galassie.
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per indagare sugli SFR su diverse scale temporali di circa dieci milioni di anni e cento milioni di anni. La scala temporale dei dieci milioni di anni si basava sulle mappe della linea di emissione H-alpha, mentre quella dei cento milioni di anni si basava sulle osservazioni UV. L’H-alpha è sensibile a scale temporali di dieci milioni di anni perché deriva dal gas attorno a stelle massicce e di breve durata. L’UV è sensibile a scale temporali di cento milioni di anni poiché origina da stelle più longeve.
Insieme, il rapporto tra i due può risolvere spazialmente la variabilità della formazione stellare.
Hanno scoperto che gli SFR diminuiscono a lunghe distanze dal centro galattico. Questo non sorprende, poiché il gas che forma stelle tende ad accumularsi vicino ai nuclei galattici. Tuttavia, hanno anche scoperto che, nel complesso, l’SFR è aumentato di un fattore di 1.6 negli ultimi ~100 Myr, un’indicazione che le galassie stanno iniziando a fondersi.
Per comprendere meglio l’aspetto della fusione, i ricercatori hanno suddiviso il QMP in segmenti: bulge e disco galassia blu, bulge e disco rossi, e tre tipi di ammassi: in esplosione, in equilibrio e in spegnimento.
Questa figura dello studio mostra come i ricercatori hanno suddiviso il QMP in segmenti per comprenderlo meglio. Immagine credit: Estrada-Carpenter et al. 2024.
“Entrambe le galassie nel Question Mark Pair mostrano una formazione stellare attiva in diverse regioni compatte, probabilmente a causa della collisione del gas delle due galassie,” ha affermato Estrada-Carpenter. “Tuttavia, la forma di nessuna delle galassie appare troppo compromessa, quindi probabilmente stiamo assistendo all’inizio della loro interazione.”
Hanno identificato venti ammassi di formazione stellare nella coppia di galassie, evidenziando la capacità del JWST di risolvere spazialmente la formazione stellare in galassie lontane. Di questi 20, sette stavano vivendo una formazione stellare esplosiva, 10 erano in fase di spegnimento e tre erano in equilibrio. La galassia blu vista frontalmente, specialmente il suo disco, è per lo più in fase di spegnimento, il che ha senso poiché il JWST sta osservando la coppia di galassie come erano vicino alla fine del Cosmic Noon.
Le galassie crescono massicciamente unendosi, e uno degli obiettivi scientifici del JWST è comprendere meglio le fusioni e come influenzano la formazione stellare. Il QMP potrebbe essere all’inizio di una fusione, il che aumenta ulteriormente il suo valore come obiettivo osservazionale.
“Ciò che rende il QMP così interessante è che queste galassie sono probabilmente all’inizio di un’interazione (poiché le loro morfologie non sembrano essere disturbate). Un’interazione tra la coppia di galassie potrebbe portare a una esplosione di formazione stellare, e questa potrebbe essere la ragione per cui la galassia blu vista frontalmente contiene così tante regioni di formazione stellare a forma di ammasso,” scrivono gli autori nel loro articolo.
Questi risultati ci danno anche uno sguardo su com’era la nostra galassia durante il Cosmic Noon.
“Queste galassie, osservate miliardi di anni fa quando la formazione stellare era al suo apice, sono simili alla massa che la Via Lattea avrebbe avuto in quel periodo. Il Webb ci sta permettendo di studiare com’erano gli anni dell’adolescenza della nostra galassia,” ha affermato Sawicki.