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11 mila galassie per studiare l’evoluzione dell’universo

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384 ore complessive di osservazioni con il radiotelescopio Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) nel New Mexico, USA, concentrate in una porzione di cielo grande quanto 9 volte la superf
icie apparente della Luna piena, hanno permesso a un team internazionale di astronomi, tra cui alcuni dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, di ottenere una serie di dettagliate e profonde immagini dell’universo nelle onde radio, tra le migliori mai realizzate finora. L’enorme mole di dati raccolti da questo progetto, denominato VLA-COSMOS 3GHz Large Project e guidato da ricercatori dell’Università di Zagabria, permetterà agli scienziati di ottenere preziose informazioni sulle proprietà e sull’evoluzione delle circa 11 mila galassie individuate dalla survey che abbracciano un arco di tempo di circa 13 miliardi di anni, praticamente quasi tutta l’età dell’universo stesso, che oggi stimiamo essere di 13,6 miliardi di anni. Una serie di lavori su argomenti scientifici prodotti da questi dati verrà pubblicata in un numero speciale della rivista Astronomy&Astrophysics.

“L’emissione radio di una galassia ci può fornire almeno due tipi di informazioni molto importanti”, dice Vernesa Smolčić dell’Università di Zagabria, responsabile scientifica del progetto. “Le onde radio ci aiutano avedere attraverso le nubi di polveri e svelano così le nuove stelle in formazione all’interno delle galassie. Ma quella luce può anche mostrarci le tracce estremamente energetiche di buchi neri supermassicci che stanno ingurgitando materia e stanno accrescendo”.

Gli astronomi hanno combinato i nuovi dati radio, che provengono anche da regioni delle galassie altrimenti inaccessibili ad altre lunghezze d’onda, con informazioni nella banda ottica, infrarossa e nei raggi X raccolte da molti tra i principali telescopi oggi operativi, da Terra e dallo spazio. “La sinergia tra dati estremamente accurati e a differenti lunghezze d’onda con osservazioni radio di altissima risoluzione spaziale ci ha permesso di distinguere l’emissione radio legata ai processi di formazione stellare da quella prodotta attraverso processi di accrescimento attorno a buchi neri supermassicci” dice Marco Bondi, ricercatore dell’INAF a Bologna, che ha partecipato allo studio.

Gli astronomi hanno utilizzato le nuove osservazioni per studiare come la quantità di luce radio proveniente da una galassia è legata al ritmo con il quale la galassia sta formando nuove stelle, ma anche come questo ritmo sia cambiato nel corso della storia dell’universo.

Il team ha scoperto che il tasso di formazione stellare ha raggiunto il suo massimo quando l’universo aveva circa 2,5 miliardi di anni, ovvero un quinto della sua età attuale. Durante quel periodo, circa un quarto di tutte le nuove stelle si sono accese all’interno di galassie massicce. Gli scienziati del progetto VLA-COSMOS hanno anche notato che nelle prime galassie dell’universo si è registrato un tasso di formazione stellare tra il 15 e il 20 per cento superiore a quanto finora ritenuto. Questo significa che le nubi di polvere nelle galassie probabilmente stanno nascondendo alla nostra vista molte giovani stelle.

Le nuove osservazioni radio hanno anche permesso di rivelare che le dimensioni dell’emissione radio nelle lontane galassie che mostrano al loro interno un’attività molto intensa di formazione stellare, che gli addetti ai lavori chiamano submillimeter galaxies, sono più grandi di quanto ritenuto fino ad oggi. Gli astronomi non hanno ancora una risposta sicura per spiegare questa proprietà, ma ritengono che potrebbe essere legata a collisioni e interazioni gravitazionali tra le galassie.

La survey VLA-COSMOS 3 GHz Large Project getta inoltre nuova luce sulle galassie che ospitano nelle loro zone centrali buchi neri supermassicci in accrescimento, ovvero i Nuclei Galattici Attivi (AGN). Gli astronomi hanno scoperto più di mille AGN che sembrano galassie “normali” ad ogni altra lunghezza d’onda. Solo l’emissione radio rivela la loro attività nascosta.

“Gli AGN individuati grazie alle osservazioni radio sono particolarmente interessanti in quanto possono rappresentare una popolazione di Nuclei Galattici Attivi che può influenzare il destino delle galassie ospiti”, sottolinea Gianni Zamorani, astronomo dell’INAF a Bologna e membro del team che ha condotto le indagini. “I processi fisici associati con l’emissione dai buchi neri supermassicci possono riscaldare il gas all’interno e intorno alla galassia stessa, impedendo così la formazione di nuove stelle e interrompendo la crescita delle galassie più massicce”.

Gli astronomi hanno confrontato il processo di riscaldamento degli AGN ottenuto da simulazioni cosmologiche con quello rilevato dai dati della survey VLA-COSMOS 3GHz, trovando una notevole somiglianza tra la teoria e le osservazioni. L’eccellente qualità dei dati raccolti nella banda radio ha consentito di spingere questo test fino ad un’epoca assai remota, ovvero quando l’universo aveva appena 2,5 miliardi di anni circa.

“I risultati scientifici di questa nuova survey radio sono importanti anche perché possono essere utilizzati per pianificare con migliore accuratezza le osservazioni con i radio telescopi di nuova generazione, come lo Square Kilometre Array (SKA), ambizioso progetto nella quale la comunità dell’INAF è profondamente coinvolta” sottolinea Paolo Ciliegi, anch’egli ricercatore dell’INAF di Bologna coinvolto nello studio.

I risultati scientifici legati alla survey VLA-COSMOS 3GHz vengono pubblicati in diversi articoli, alcuni dei quali in un numero speciale della rivista Astronomy&Astrophysics:

  1. Smolčić et al., accettato per la pubblicazione su A&A, ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: Continuum data and source catalog release’
  2. Smolčić et al., accettato per la pubblicazione su A&A, ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: Multiwavelength counterparts and the composition of the faint radio population’
  3. Delvecchio et al., accettato per la pubblicazione su A&A, ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: AGN and host-galaxy properties out to z<6’
  4. Delhaize et al., accettato per la pubblicazione su A&A, ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: The infrared-radio correlation of star-forming galaxies and AGN to z<6’
  5. Novak et al., accettato per la pubblicazione su A&A, ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: The cosmic star-formation history since z~5’
  6. Smolčić et al., accettato per la pubblicazione su A&A,  ‘The VLA-COSMOS 3 GHz Large Project: Cosmic evolution of radio AGN and implications for radio-mode feedback since z~5’
  7. Novak et al. 2015, MNRAS, 447, 1282, ‘New insights from deep VLA data on the potentially recoiling black hole CID-42 in the COSMOS field’ (https://arxiv.org/abs/1412.0004)
  8. Miettinen et al. 2015,  A&A, 584, 32, ‘(Sub)millimetre interferometric imaging of a sample of COSMOS/AzTEC submillimetre galaxies. II. The spatial extent of the radio-emitting regions’  (https://arxiv.org/abs/1502.05854)
  9. Miettinen et al. 2017, accepted for publication in A&A, ‘An ALMA survey of submillimetre galaxies in the COSMOS field: The extent of the radio-emitting region revealed by 3 GHz imaging with the Very Large Array’ (https://arxiv.org/abs/1702.07527)

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