Un gruppo internazionale di astronomi, guidati da David J. Sand dell’Università dell’Arizona, ha scoperto tre galassie nane ultradeboli in direzione di NGC 300, una galassia spirale nana a circa 6,5 milioni di anni luce dalla Via Lattea.
L’interesse principale per queste nuove vicine cosmiche, nominate Sculptor A, B e C, risiede nel loro relativo isolamento e nel fatto che abbiano interrotto la formazione di nuove stelle molti miliardi di anni fa. Questo offre la possibilità di studiare le galassie più piccole dell’Universo con la quasi certezza che non abbiano avuto interazioni gravitazionali e chimiche con altre più grandi. Le nane ultra-deboli sono, infatti, i sistemi stellari più antichi, più dominati dalla materia oscura, più poveri di metalli e meno evoluti chimicamente. Pertanto, forniscono uno sguardo privilegiato sulla formazione delle prime galassie e sul comportamento della materia oscura su piccola scala.
I risultati della ricerca sono stati illustrati su The Astrophysical Journal Letters [David J. Sand et al 2024 ApJL 977 L5] e nel corso di una conferenza durante il 245° Convegno dell’American Astronomical Society tenutosi nel Maryland. Allo studio ha collaborato anche lo scrivente.
Abilmente mimetici e deboli
Lo studio delle galassie nane ultradeboli (UFD) comporta vari problemi di ordine fisico e osservativo, contenendo in genere solo poche centinaia o migliaia di stelle, rispetto alle centinaia di miliardi che compongono la Via Lattea. Quelli vicini sono i sistemi più difficili da individuare perché si mimetizzano molto bene nei campi stellari, mentre quelli più distanti svaniscono nel fondo cielo a causa della bassissima luminosità intrinseca. Con gli strumenti per survey operativi non riusciamo ad andare oltre i 4 Mpc, quindi le UFD conosciute sono alcune decine e tutte dentro o nelle immediate vicinanze del Gruppo Locale.
Le forze gravitazionali della Via Lattea e i gas caldi nell’alone strappano via il gas in questi minuscoli oggetti, influenzando la loro evoluzione, perciò non sono ambienti totalmente incontaminati. Inoltre, le UFD diventano sempre più diffuse e irrisolvibili per essere rilevate mediante algoritmi informatici. Per identificarle diventa più efficiente l’ispezione visuale nelle immagini, come ha ampiamente dimostrato in questi anni la scoperta di alcuni sistemi satellite di NGC 253 e di due debolissimi esempi nel sottogruppo di M31 e M33.
Sculptor A, B e C sono state, infatti, scoperte nelle immagini ottenute per il DECam Legacy Survey (DECaLS), uno dei tre sondaggi pubblici noti come DESI Legacy Imaging Surveys per la copertura di circa un terzo del cielo e parte integrante del sondaggio Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) in corso.
Scoperte nel 2020
La scoperta risale al 2020, in piena pandemia quando Sand e lo scrivente indipendentemente identificarono i candidati nelle immagini DECaLS. La pandemia purtroppo bloccò, di fatto, qualsiasi operazione di pronto follow-up. Sapendo delle scoperte e avendo dimostrato che Sculptor A, B e C erano anche nella lista di candidati trovati da me in collaborazione di David Martinez-Delgado, essendo già avviato lo studio, fummo invitati a unirci.
Le tre Sculptor sono tra le prime galassie nane ultra-deboli trovate in un ambiente incontaminato e isolato, libero dall’influenza della Via Lattea o di altre grandi strutture. Per indagare ulteriormente queste galassie, il gruppo ha utilizzato il Telescopio Gemini South, gestito da NSF/NOIRLab mediante lo spettrografo multi-object Gemini. Le osservazioni mostrano come tutte e tre le UFD siano prive di gas e contengono solo stelle molto vecchie. Questo suggerisce che la loro formazione stellare sia stata interrotta molto tempo fa, rendendo le UFD dei sistemi spenti e morenti risalenti all’universo primordiale.
Relativamente vicine e isolate
Le tre nane variano in distanza da ≈1,3 (A) a 2,5 (B) Mpc e hanno magnitudini assolute ben dentro il regime ultradebole (A=−6,9, B =−8,1 e C=−9,1) senza alcuna riserva di idrogeno neutro rilevabile o emissione UV nei dati GALEX.
Solo Sculptor C è chiaramente associata a NGC 300 (D = 2,04 Mpc). Sculptor C è coerente con la presenza di sistemi satellite in analoghi per massa alla Nube di Magellano, rendendo plausibile la scoperta futura di altri candidati più deboli.
Sia Sculptor A sia B sono galassie nane molto deboli e spente in ambienti isolati. È possibile che questi sistemi siano backsplash estremi, vale a dire che hanno subito uno spogliamento mareale durante un passaggio ravvicinato a una galassia più grande. Se A e B non sono sistemi backsplash, allora devono essere invocati altri meccanismi per spiegare la mancanza di formazione stellare e gas neutro.
“Piccole galassie come queste sono resti dell’universo primordiale”, afferma Sand. “Ci aiutano a capire quali erano le condizioni quando si formarono le prime stelle e galassie, e perché alcune smisero completamente di creare nuove stelle. Questo è esattamente ciò che ci aspetteremmo da oggetti così piccoli. Il gas è la materia prima fondamentale necessaria per fondersi e innescare la fusione di una nuova stella. Ma le UFD hanno semplicemente una gravità troppo bassa per trattenere questo ingrediente importantissimo, e si perde facilmente quando vengono influenzate da galassie vicine e massicce”.
Testimoni della Reionizzazione
Poiché Sculptor A, B e C sono concretamente isolate e lontane, il loro gas non può essere stato rimosso per l’azione mareale di galassie maggiori nelle immediate vicinanze. Una spiegazione plausibile coinvolge l’Epoca della Reionizzazione, un periodo non molto dopo il Big Bang in cui fotoni ultravioletti ad alta energia generati dalle prime stelle riempirono il cosmo, riscaldando il gas nelle galassie più piccole, facendolo scappare via nello spazio. Un’altra possibilità è che un certo numero stelle massicce nelle UFD sia anticamente esploso come supernovae, spingendo il gas all’esterno mediante poderose onde d’urto. In ogni modo, questo deve essere avvenuto nel giovane universo con l’epoca della reionizzazione che collega potenzialmente la struttura attuale di tutte le galassie con la formazione più antica della struttura su scala cosmologica.
A oggi, è tutt’altro che chiaro come e quanto la reionizzazione abbia agito. Per dipanare il dubbio, gli astronomi devono trovare altre UFD e studiare i loro ambienti. Si prevede che ai margini del Gruppo Locale e in ambienti vicini a bassa densità si trovino molte più galassie nane deboli e ultradeboli. Diversi programmi come Euclid, il Roman Space Telescope e il Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time troveranno sicuramente molti altri esempi caratterizzando meglio tale popolazione nel nostro vicinato cosmico.
Didascalia dell’immagine di apertura:
DECaLS/DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA
Image Processing: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani (NSF NOIRLab) & D. de Martin (NSF NOIRLab)
