Chiedi alla maggior parte delle persone di cosa sia composta una galassia e diranno che è fatta di stelle. La nostra galassia, la Via Lattea, ospita tra i 100 e i 300 miliardi di stelle, e possiamo vederne migliaia ad occhio nudo. Tuttavia, la maggior parte della massa di una galassia è in realtà costituita da gas, ma misurare l’estensione di questo gas è stato difficile.

I ricercatori hanno trovato un modo per vedere fino a che punto si estende quel gas nel cosmo.

Una delle domande fondamentali sulle galassie riguarda la loro dimensione. Se limitiamo le nostre osservazioni alle stelle, la nostra galassia, ad esempio, misura circa 26,8 kiloparsec, o circa 87.000 anni luce, di diametro. La nostra vicina, Andromeda, misura circa 46,56 kpcs o 152.000 anni luce. Ma queste misurazioni definiscono realmente le dimensioni?
In una nuova ricerca pubblicata su Nature Astronomy, i ricercatori hanno misurato l’estensione del gas che va oltre la popolazione stellare di una galassia. Il lavoro è intitolato “Una mappa di emissione della transizione disco-medio circungalattico in IRAS 08339+6517.” Il ricercatore principale è Nikole Nielsen, una ricercatrice dell’Università di Swinburne e di ASTRO 3D e Professore Associato all’Università dell’Oklahoma.
Le galassie hanno aloni gassosi che fungono da serbatoi di materiale per la formazione di stelle chiamato mezzo circungalattico (CGM). Il CGM interagisce con il mezzo intergalattico (IGM), che è ulteriore gas che esiste tra le galassie. Il CGM è notoriamente difficile da osservare perché è così diffuso e esteso. Tuttavia, costituisce circa il 70% di una galassia tipica (trascurando la materia oscura) e svolge un ruolo importante. “Questo serbatoio diffuso di gas, il mezzo circungalattico, funge da interfaccia tra una galassia e la rete cosmica che connette le galassie,” spiegano gli autori nel loro articolo.
Gli astronomi si affidano a oggetti di sfondo luminosi per cercare di osservare il CGM. Oggetti come quasar distanti, pulsar, o altre galassie possono illuminare il gas e consentire agli astronomi di misurarne gli spettri. Ma ciò funziona solo quando tutto si allinea correttamente e produce solo un’immagine a fascio della galassia.
In questa nuova ricerca, un team di astronomi ha trovato un modo diverso per osservare il CGM. Hanno utilizzato il Keck Cosmic Web Imager (KCWI) sul telescopio Keck di 10 metri alle Hawaii per osservare il gas attorno a IRAS 08339+6517. Piuttosto che una visione limitata e a fascio del gas, sono stati in grado di rilevare le nuvole di gas ben oltre i confini tipici di una galassia, fino a 100.000 anni luce oltre il limite della luce stellare che definisce normalmente una galassia.
“Presentiamo spettroscopia integrale di campo a risoluzione kiloparsec di linee di emissione che tracciano il gas ionizzato fresco dal centro di una galassia vicina fino a 30 kpcs nel suo mezzo circungalattico,” scrivono gli autori. Nel loro articolo, spiegano che “… otteniamo l’equivalente di migliaia di linee di vista di quasar attorno a una singola galassia.”
IRAS 08339+6517 è una galassia starburst situata a circa 56 kpcs di distanza. Una galassia starburst è quella che genera stelle a un tasso estremamente alto. Le immagini di Hubble mostrano che è una galassia a spirale vista di fronte, e il 90% della sua luce stellare è contenuta in un raggio di circa 2,4 kpcs. “A differenza delle spirali normali, ha proprietà piuttosto estreme, con un tasso di formazione stellare (SFR) = 12,1 masse solari yr-1) che è ~ 10 volte superiore a quello tipico per la sua massa e popolazioni stellari dominate da stelle molto giovani (~ 4 – 6 Myr),” scrivono gli autori.
I ricercatori hanno scoperto che man mano che il CGM si estende oltre la galassia, le proprietà fisiche dell’idrogeno e dell’ossigeno nel gas cambiano. Il cambiamento si è rivelato onnipresente a una certa distanza e indica che il gas sta interagendo con diverse fonti energetiche.
“L’abbiamo trovato ovunque guardassimo, il che è stato davvero entusiasmante e piuttosto sorprendente,” ha dichiarato l’autrice principale Nielsen. “Ora stiamo vedendo dove l’influenza della galassia finisce, la transizione in cui diventa parte di ciò che la circonda e, infine, dove si unisce alla rete cosmica più ampia e ad altre galassie. Questi sono tutti confini di solito sfocati.”
“Ma in questo caso sembra che abbiamo trovato un confine abbastanza chiaro in questa galassia tra il suo mezzo interstellare e il suo mezzo circungalattico,” ha affermato il Professor Nielsen.
“Nel CGM, il gas viene riscaldato da qualcosa di diverso rispetto alle condizioni tipiche all’interno delle galassie; questo probabilmente include il riscaldamento prodotto dalle emissioni diffuse dalle galassie collettive nell’Universo, e forse una certa parte è dovuta agli urti,” ha detto la Dott.ssa Nielsen.
Il confine è dove il gas viene riscaldato in modo diverso all’interno della galassia rispetto all’esterno. All’interno del disco della galassia, il gas viene fotoionizzato da regioni di formazione stellare HII (idrogeno atomico ionizzato). A distanze maggiori, il gas viene ionizzato da urti o dallo sfondo UV extragalattico.
“È questo interessante cambiamento che è importante e fornisce alcune risposte alla domanda su dove finisce una galassia,” dice.
Questa figura dalla ricerca mostra la distribuzione spaziale del gas ionizzato nel CGM a scale di kiloparsec. L’emissione da [Oiii] ?5007 nel CGM di IRAS08 si estende ad almeno 30 kpc dal centro della galassia. Il rettangolo azzurro rappresenta il campo visivo del KCWI che copre il disco galattico (mappa di emissione non mostrata). I contorni di HI indicano livelli di densità di colonna HI costanti dal Very Large Array, dove un filamento si estende da IRAS08 verso una galassia compagna più piccola a 60 kpc di distanza. Crediti immagine: Nielsen et al. 2024.
Questi risultati contribuiscono a una delle questioni più affascinanti in astronomia: Come evolvono le galassie?
Il gas fluisce nelle galassie e diventa carburante per la formazione di nuove stelle. Allo stesso tempo, il gas fuoriesce da una galassia come parte del feedback stellare. Ci sono tre ampie tipologie di galassie: galassie starburst con quantità estreme di formazione stellare, galassie quench con pochissima formazione stellare e galassie intermedie. Il gas nel CGM e nell’IGM svolge un ruolo nel budget di gas di una galassia.
IRAS08 ha un flusso d’uscita di gas notevolmente forte, ma il suo profilo di metallicità è piatto e superficiale. Gli astronomi generalmente assumono che le galassie con queste metallicità e SFR elevate stiano acquisendo quantità significative di gas. Altre osservazioni scientifiche di IRAS08 indicano “un rapido afflusso di gas al centro del disco che alimenta il forte starburst e, successivamente, forti fuoriuscite,” spiegano gli autori.
Il gas fluisce nelle galassie lungo filamenti a spirale. Questa immagine di una galassia mostra un flusso di gas che entra, come rappresentato in un supercomputer. Crediti immagine: MPIA (G. Stinson / A.V. Maccio)
Tuttavia, IRAS 08 è un oggetto complesso che sta anche interagendo con una galassia vicina. “Osservazioni VLA del gas HI attorno a IRAS08 hanno identificato un filamento che si estende fino a ~ 40 kpcs dalla galassia e contiene il 70% del gas neutro nel sistema,” scrivono gli autori. Questo filamento interagisce con una galassia vicina a circa 60 kpcs di distanza, che è solo un decimo della massa di IRAS-08.
Gli autori affermano che questa interazione con il vicino potrebbe migliorare la formazione stellare, ma non ci sono prove che stia influenzando la morfologia di IRAS-08. Questo non sembra essere il primo stadio di una fusione eventuale.
Trovare il confine tra il CGM e l’IGM potrebbe essere un passo cruciale per capire come il gas cicli dentro e fuori le galassie e come il gas possa interagire con i vicini senza una fusione.
“Il mezzo circungalattico gioca un enorme ruolo in quel ciclo del gas,” afferma la Dott.ssa Nielsen. “Quindi, comprendere come appare il CGM attorno a galassie di diversi tipi – quelle in formazione stellare, quelle che non formano più stelle e quelle che stanno passando tra le due – ci consente di osservare differenze in questo gas, che potrebbero alimentare le differenze all’interno delle stesse galassie, e i cambiamenti in questo serbatoio potrebbero effettivamente guidare i cambiamenti nella galassia stessa.”
La natura ha pochi confini distinti. Tutto interagisce con altre cose, comprese le galassie massicce. Le interazioni custodiscono la chiave per la comprensione.
Questi risultati potrebbero aprire una nuova finestra su come le galassie, il gas e le stelle interagiscono e su come evolvono le galassie.