L’astronomia infrarossa ha svelato moltissimo sull’Universo, spaziando dai dischi protoplanetari e dalle nebulose ai nane brune, aurore e vulcani su vari corpi celesti. Guardando al futuro, gli astronomi sperano di condurre studi infrarossi sui resti di supernova (SNR), i quali forniranno informazioni vitali sulla fisica di queste esplosioni. Mentre gli studi nello spettro infrarosso vicino e medio (NIR-MIR) dovrebbero fornire dati sulla composizione atomica degli SNR, gli studi nel infrarosso da medio a lungo (MIR-FIR) dovrebbero offrire uno sguardo dettagliato sui grani di polvere riscaldati che vengono espulsi nel mezzo interstellare (ISM).

Purtroppo, questi studi sono stati per lo più limitati alla Via Lattea e alle Nubi Magellane a causa delle limitazioni degli osservatori IR precedenti. Tuttavia, questi regimi osservativi sono ora accessibili grazie a strumenti di nuova generazione come il Telescopio Spaziale James Webb (JWST). In un studio recente, un team guidato da ricercatori della Ohio State University ha presentato le prime immagini infrarosse risolte spazialmente dei resti di supernova (SNR) nella Galassia Triangolo (noto anche come Messier 33). Le loro osservazioni hanno permesso di acquisire immagini di 43 SNR, grazie all’impareggiata sensibilità e risoluzione degli strumenti IR del Webb.

Il team era guidato da Dr. Sumit K. Sarbadhicary, un ex Assegnista di Ricerca presso il Centro per Cosmologia e Fisica Astroparticellare (CCAP) della OSU e attuale Ricercatore Assistente presso l’Università Johns Hopkins (JHU). Era accompagnato da diversi astronomi e fisici della OSU, del Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, del Centro per Astrofisica Computazionale dell’Istituto Flatiron, dell’Istituto di Astrofisica Teorica dell’Università di Heidelberg, del National Radio Astronomy Observatory (NRAO), e del Space Telescope Science Institute (STScI). L’articolo che descrive i loro risultati è attualmente sotto revisione per la pubblicazione su The Astrophysical Journal.

La Nebulosa del Granchio, un resto di supernova, osservata dal JWST. Credito: NASA/ESA/JWST

Come spiegano nel loro studio, gli SNR nella Via Lattea e nelle nubi magellane sono i più studiati nell’Universo perché sono i più vicini. Questo ha permesso agli astronomi di condurre studi dettagliati che hanno rivelato le loro strutture a quasi tutte le lunghezze d’onda, inclusa quella infrarossa. Come ha detto Dr. Sarbadhicary a Universe Today via email, gli studi su questi SNR hanno insegnato molto agli astronomi. Questo include la produzione di polvere, la composizione delle esplosioni di supernova e la fisica delle onde d’urto astrofisiche – in particolare quelle che attraversano nubi di gas denso in cui potrebbero formarsi nuove stelle.

Tuttavia, come ha spiegato Sarbadhicary, questi studi sono stati ancora confinati alla nostra galassia e alle sue satelliti, limitando ciò che gli astronomi possono apprendere su questi eventi astronomici cruciali:

“[L]’unica cosa è che non siamo stati in grado di uscire dalle Nubi Magellane e di esplorare gli SNR in galassie più distanti nell’infrarosso. Sappiamo che altre galassie del Gruppo Locale come Andromeda (M31) e Triangulum (M33) hanno diverse centinaia di SNR, quindi c’è un enorme potenziale per costruire statistiche. Inoltre, gli SNR che emettono infrarossi sono una razza piuttosto rara, trovati principalmente in esplosioni avvenute vicino a densità di gas molecolare denso che sono parte del mezzo interstellare o del materiale perso dalla stella progenitrice prima dell’esplosione. Quindi avere più oggetti sarebbe davvero utile.”

La prima generazione di studi sugli SNR a lunghezze d’onda infrarosse è stata condotta con il Satellite Astronomico Infrarosso della NASA (IRAS) e l’Osservatorio Spaziale Infrarosso dell’ESA (ISO). Nonostante la loro limitata risoluzione spaziale e la confusione di osservare attraverso il piano Galattico, questi osservatori sono riusciti a identificare circa il 30% degli SNR nella Via Lattea tra 10 e 100 micrometri (?m), che corrisponde a parti dello spettro dell’Infrarosso Medio e Lontano (MIR, NIR).

Impressione artistica del Telescopio Spaziale Herschel. Credito: ESA/AOES Medialab/NASA/ESA/STScI

Negli ultimi decenni, l’astronomia IR ha beneficiato enormemente di missioni come il Telescopio Spaziale Spitzer della NASA e l’Osservatorio Spaziale Herschel dell’ESA. Questi osservatori vantano risoluzioni angolari superiori e possono condurre indagini in ampie parti dello spettro IR – 3 a 160 ?m per Spitzer e 70 a 500 ?m per Herschel. Le loro osservazioni hanno portato a indagini galattiche a campo ampio – il Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire (GLIMPSE), il MIPS Galactic Plane Survey (MIPSGAL), e l’Herschel infrared Galactic Plane Survey (Hi-GAL) – e le prime indagini IR extragalattiche di alta qualità degli SNR.

“Abbiamo già visto il potenziale del JWST per rivoluzionare gli studi sugli SNR da immagini nuove e nitide di SNR noti come Cassiopeia A nella nostra Galassia e 1987A nella Grande Nube Magellana, pubblicate in articoli recenti. Le immagini hanno rivelato un’ammontare senza precedenti di dettagli sui detriti dell’esplosione, il materiale perso dalla stella prima dell’esplosione e molto altro.

“Questa combinazione superiore di sensibilità e risoluzione angolare consente ora anche al JWST di recuperare immagini di SNR in galassie quasi 20 volte più lontane delle Nubi Magellane (ad esempio, M33 nel nostro articolo), con lo stesso livello di dettaglio trovato da Spitzer negli SNR nelle Nubi Magellane. Ciò è particolarmente utile grazie alla alta risoluzione angolare del JWST, poiché siamo meno propensi a confondere gli SNR con strutture sovrapposte come le regioni HII (gas fotoionizzato da stelle massicce).”

Vista infrarossa del JWST della regione di formazione stellare NGC 604 nella galassia Triangolo. Credito: NASA, ESA, CSA, STScI

Per il loro studio, Sarbadhicary e il suo team hanno sfruttato osservazioni archiviate del JWST della Galassia Triangolo (M33) in quattro campi del JWST. Due di questi coprivano le regioni centrale e meridionale di M33 con osservazioni separate utilizzando la Camera Infrarosso Vicino (NIRCam) e l’Imager Infrarosso Medio (MIRI) di Webb. Il terzo coinvolgeva osservazioni MIRI di una lunga striscia radiale di circa 5 kiloparsec (~16.300 anni luce), una coprente la gigantesca nebulosa di emissione in M33 (NGC 604) con più osservazioni NIRCam e MIRI. Hanno poi sovrapposto queste osservazioni con SNR precedentemente identificati da indagini a più lunghezze d’onda.

Hanno anche considerato i volumi di dati a più lunghezze d’onda ottenuti da missioni precedenti su questa galassia. Questo include immagini di stelle acquisite dal venerabile Hubble e osservazioni di gas neutro freddo condotte dall’Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) e dal Very Large Array (VLA). Come ha indicato Sarbadhicary, i risultati hanno rivelato alcune cose molto interessanti sugli SNR nella Galassia Triangolo. Tuttavia, poiché il loro sondaggio ha coperto solo il 20% degli SNR in M33, ha anche osservato che questi risultati sono solo la punta dell’iceberg:

“Il risultato più sorprendente è stata la presenza di emissione di idrogeno molecolare in due su tre SNR dove abbiamo avuto osservazioni F470N (un filtro a banda stretta centrato sulla linea rotazionale dell’idrogeno di 4,7 micron). L’idrogeno molecolare è di gran lunga la molecola più abbondante nel gas interstellare, ma a causa della simmetria della molecola, non può produrre radiazione visibile alle temperature fredde tipiche del gas interstellare. Solo quando riscaldata da shock o emissione ultravioletta H2 emette radiazioni (come a 4,7 micron), quindi è un tracciante molto utile di shock che colpiscono gas molecolare denso, in cui avviene la formazione stellare.”

Sebbene gli astronomi abbiano visto questa emissione in diversi SNR all’interno della Via Lattea, questa è stata la prima volta che tali osservazioni sono state effettuate su una sorgente extragalattica. “I dati del JWST hanno anche rivelato che tra il 14 e il 43% degli SNR mostrano emissioni infrarosse visibili,” ha aggiunto Sarbadhicary. “Gli SNR infrarossi più luminosi nel nostro campione sono anche alcuni dei più piccoli in M33 e i più brillanti ad altre lunghezze d’onda, specialmente raggi X, radio e ottiche. Questo significa che gli shock in questi SNR stanno ancora viaggiando relativamente veloci e colpendo materiale ad alta densità nell’ambiente, portando a una sostanziale quantità di energia d’urto irradiata in linee infrarosse e polvere che stanno illuminando l’emissione vista nelle nostre immagini a banda larga.”

Osservazioni del JWST di 80 oggetti (cerchiati in verde) che hanno cambiato luminosità nel tempo, la maggior parte dei quali sono supernovae. Credito: NASA/ESA/CSA/STScI/JADES Collaboration

I risultati mostrano come l’alta risoluzione angolare del Webb permetterà agli astronomi di condurre osservazioni infrarosse molto accurate di grandi popolazioni di SNR in galassie oltre le Nubi Magellane. Questo include M33, la Galassia Andromeda (M31) e galassie vicine del Gruppo Locale come la Galassia a Spira Meridionale (M83), la Galassia dei Fuochi d’Artificio (NGC 6946), la Galassia Vortice (M51), molte nane nel Gruppo Locale e molte altre! Ha dichiarato Sarbadhicary:

“Personalmente, sono entusiasta di poter studiare la popolazione di SNR che colpisce gas denso con il JWST poiché la fisica di come gli shock impattano il gas denso e regolano la formazione stellare nelle galassie è un argomento importante nell’astronomia. Gli infrarossi hanno un tesoro di linee ioniche e molecolari (come H2 che abbiamo trovato) che sono eccitate in nubi di gas ad alta densità dalla scossa e quindi queste osservazioni possono essere davvero utili.

“Ci sono anche alcuni rari SNR simili a Cassiopeia A in queste galassie che sono molto giovani e ricchi di materiale eiettato dall’esplosione e JWST può fornire molte nuove informazioni dalle linee di emissione nell’infrarosso. Un altro grande area di studio è la polvere e come viene prodotta e distrutta dagli shock.”

Ulteriori letture: arXiv