Un recente studio ha esaminato i dati di oltre 124 mila galassie satellite, che orbitano intorno a una galassia molto massiccia per attrazione gravitazionale. Le osservazioni sono state fatte in seguito ai risultati di una simulazione dell’astrofisica teorica Annalisa Pillepich. Tale simulazione prendeva in considerazione regioni del gas intergalattico con una densità di gas molto bassa, causate dall’attività del buco nero supermassiccio al suo centro.

Questo buco nero supermassiccio, mentre divora il materiale attorno a sè, spesso rigurgita all’esterno potenti getti di gas caldissimo. In quel caso si chiama anche nucleo galattico attivo (in inglese Active Galactic Nuclei, AGN). Pillepich ha discusso con l’astrofisico sperimentale Ignacio Martín-Navarro che cosa potesse accadere alle galassie satellite che viaggiano attraverso le regioni in cui i buchi neri supermassicci rigettano il gas molto energetico. Ciò che hanno scoperto, confrontando la sua simulazione con i dati dello Sloan Digital Sky Survey, è sorprendente. C’erano galassie satellite più attive nella formazione di stelle nella direzione in cui il buco nero supermassiccio espelle la sua energia.

Il ruolo dei buchi neri supermassicci per la formazione stellare era stato precedentemente visto come distruttivo: i buchi neri attivi possono privare le galassie del gas di cui hanno bisogno per formare nuove stelle. I nuovi risultati del team di Martin-Navarro, pubblicati sulla rivista Nature, mostrano invece situazioni in cui i buchi neri attivi possono influenzare l’evoluzione delle galassie satellite aiutandole a formare nuove stelle.

Cosa sono le galassie satellite?

Una galassia satellite è una piccola galassia che orbita all’interno del potenziale gravitazionale di una galassia più massiccia e luminosa. La Via Lattea ha una cinquantina di galassie satellite, tra cui le Nubi di Magellano.

Le galassie satellite sono avvolte da enormi aloni di materia oscura, che si ritiene si siano generati durante il loro processo di formazione. Questo è uno dei motivi per cui è interessante studiarle. Forniscono infatti importanti informazioni sulla nascita ed evoluzione delle galassie, sul tasso di formazione stellare e sulla distribuzione di materia oscura all’interno degli aloni. Sono un vero e proprio banco di prova per le previsioni dei modelli cosmologici.

Secondo il modello cosmologico standard, la formazione delle galassie satellite è connessa direttamente alla struttura su larga scala del nostro Universo. Le galassie nane sono considerate i mattoni fondamentali che danno origine a galassie più massicce, e le galassie satellite sarebbero le nane che devono ancora essere consumate dal loro galassia ospite.

Le galassie satellite sono quiescenti: non formano nuove stelle

Le osservazioni astronomiche che includono l’acquisizione dello spettro elettromagnetico (la separazione della sua luce in diverse lunghezze d’onda) di una galassia consentono di misurare la velocità con cui quella galassia sta formando nuove stelle.

Secondo queste misurazioni, le galassie satellite formano pochissime nuove stelle. Vengono perciò dette quiescenti. Prima dello studio di Martín-Navarro e colleghi, si pensava che la spiegazione fosse tutta nell’attività del gas. Gli ammassi di galassie infatti contengono anche gas caldo che riempie lo spazio intergalattico. Mentre una galassia satellite orbita nell’ammasso, questo gas farebbe sentire lo stesso tipo di “vento contrario” di cui risente una persona che guida una motocicletta. Le stelle della galassia satellite sono troppo compatte per esserne influenzate, ma non il gas: esso verrebbe strappato via dal gas intergalattico caldo in arrivo. Questo fenomeno è noto come ram pressure stripping. Ne risulterebbe che tali galassie satellite perderebbero quasi completamente il loro gas, e con esso la materia prima necessaria per la formazione stellare. Di conseguenza, l’attività di formazione stellare si estinguerebbe.

Ma cosa succede quando le galassie satellite attraversano le regioni in cui i getti di gas dei nuclei galattici attivi si allontanano? Sarebbero influenzate dal deflusso di gas e l’attività di formazione stellare si spegnerebbe ulteriormente? Oppure no?

I buchi neri supermassicci formano nuove stelle

Martín-Navarro ha considerato questa questione sfruttando lo Sloan Digital Sky Survey (SDSS), che fornisce immagini di alta qualità di gran parte dell’emisfero settentrionale. Tra i suoi ultimi dati sono presenti 30.000 gruppi e ammassi di galassie, ciascuno con una galassia centrale e circa 4 galassie satellite.

Analizzando statisticamente quei sistemi, Martín-Navarro ha trovato una differenza tra le galassie satellite che erano vicine al piano della galassia centrale e quelle che si trovavano sopra e sotto di esso. Ma la differenza era nella direzione opposta rispetto a quella che i ricercatori si aspettavano. Le galassie satellite sopra e sotto il piano, all’interno delle bolle di gas prodotte dal buco nero supermassiccio centrale, avevano circa il 5% in meno di probabilità di aver spento la loro attività di formazione stellare.

La conferma delle simulazioni

Con quel sorprendente risultato, Martín-Navarro è tornato da Annalisa Pillepich e hanno eseguito lo stesso tipo di analisi statistica nell’Universo virtuale delle simulazioni di IllustrisTNG. Questo software include comandi che modellano le regole della fisica nel modo più naturale possibile, e che includono anche condizioni iniziali corrispondenti allo stato dell’Universo poco dopo il Big Bang.

L’Universo virtuale di IllustrisTNG ha mostrato la stessa deviazione del 5% per l’estinzione delle galassie satellite. In particolar modo, le galassie satellite quiescenti risultavano essere relativamente meno frequenti quando erano collocate lungo l’asse minore delle loro galassie centrali.

Questa risulta essere un’osservazione controintuitiva rispetto alla teoria condivisa, secondo cui l’attività dei buchi neri dovrebbe espellere massa ed energia preferenzialmente nella direzione dell’asse minore della galassia ospite. Dove, quindi, dovrebbero crearsi condizioni più sfavorevoli per la nascita di stelle nelle galassie satellite.

Quale meccanismo fisico c’è dietro?

Lavorando sui risultati della simulazione, Pillepich, Martín-Navarro e i loro colleghi hanno formulato un’ipotesi per il meccanismo fisico dietro.

Si consideri una galassia satellite che viaggia attraverso una delle bolle che il buco nero centrale ha ricreato nel mezzo intergalattico circostante. A causa della densità più bassa, quella galassia satellite subisce meno “vento contrario”, ed è quindi meno probabile che il suo gas venga rimosso. Questo le permetterebbe di averne più a disposizione per la formazione di nuove stelle!

Un risultato molto promettente

Con l’accordo tra le analisi statistiche delle osservazioni dello SDSS e le simulazioni IllustrisTNG, il risultato della ricerca è di certo molto promettente. Nello studio dell’evoluzione delle galassie è particolarmente interessante. Infatti conferma, indirettamente, il ruolo dei nuclei galattici attivi non solo di scaldare il gas intergalattico, ma di “respingerlo” per creare regioni a densità più bassa. Inoltre, è un punto di partenza per ricerche future riguardanti le galassie satellite, la loro storia e la loro evoluzione. E poi il loro più grande segreto: la loro componente oscura.

Lo studio completo è disponibile qui.

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