Lo Square Kilometre Array Observatory (SKAO), anche detto solo SKA, sarà presto il più grande radiotelescopio del mondo. Sarà costituito in Australia e Sud Africa, da una rete di due radiotelescopi composti da centinaia di antenne ognuno. Di recente, un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che SKA sarà in grado di rilevare le emissioni radio delle galassie a spirale dell’Universo primordiale.

Gli astronomi fanno parte del gruppo “Extragalactic Continuum” di SKAO e stanno cercando un modo per studiare un’era cosmica in cui l’attività di formazione stellare è improvvisamente diminuita, dopo un’epoca nota come mezzogiorno cosmico. Hanno simulato le proprietà fisiche del mezzo interstellare di galassie simili a quella del Triangolo (M33) e alla Whirlpool (M51) in un’epoca iniziale dell’Universo. I risultati mostrano che la strumentazione dovrebbe essere sufficientemente sensibile da rilevare galassie primordiali già nella prima fase d’implementazione di SKAO.

Il mezzogiorno cosmico e il calo nella formazione stellare

Circa 10 miliardi di anni fa, dopo il periodo di grande attività detto mezzogiorno cosmico, le galassie hanno sperimentato un declino nella produzione di nuove stelle. Questa transizione nel corso dell’evoluzione cosmica non è ancora del tutto compresa.

I ricercatori ipotizzano che l’improvvisa diminuzione di attività galattica sia dovuta al calo della quantità di gas freddo all’interno delle galassie, che serve come combustibile per la formazione stellare. Tuttavia, le osservazioni mostrano che molte galassie avevano ancora riserve di gas sufficientemente grandi da permettere l’assembramento di nuovi astri.

E infatti non c’è ancora certezza che questa sia la spiegazione più plausibile. “Un’altra possibilità è che la pressione del campo magnetico, le particelle ad alta energia e le turbolenze abbiano stabilizzato sempre più il gas freddo nelle galassie”. Così ha affermato Fatemeh Tabatabaei, ex ricercatrice del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg e coautrice dello studio. “Per capire l’importanza di questi fattori, è necessario studiare il bilancio energetico in funzione del redshift.”

SKA e le osservazioni dell’ISM ad alto redshift

In ambito astronomico, si definisce redshift il fenomeno per cui gli spettri di luce emessi da oggetti celesti (come le galassie) si spostano nel tempo verso lunghezze d’onda maggiori a causa dell’espansione dell’Universo. Il redshift può essere convertito direttamente in una distanza, o età, dal Big Bang.

Per valutare le future prestazioni di SKA e capire se con esso sarà possibile comprendere la transizione tra mezzogiorno cosmico e calo del tasso di formazione stellare, gli astronomi hanno simulato i processi fisici del mezzo interstellare (Inter-Stellar Medium, ISM) delle galassie a diversi redshift. L’ISM è costituito principalmente da gas e microscopiche particelle solide che gli astronomi chiamano polvere e che, a temperature diverse, pervadono lo spazio tra le stelle.

In seguito all’interazione di particelle ad alta energia e campi magnetici nell’ISM è emessa radiazione nella lunghezza d’onda radio. Ecco perché i radiotelescopi come SKA sono importanti per tracciare i processi energetici nelle galassie, tra cui:

• comprendere il bilancio energetico e la formazione della struttura delle galassie nel corso del tempo;
• mappare diversi processi energetici in galassie vicine e lontane;
• far luce su processi ed eventi che regolano l’evoluzione delle galassie;
• migliorare la comprensione della riduzione dell’attività di formazione stellare.

L’esito delle simulazioni

Una parte essenziale della preparazione ai futuri dati di SKA consiste nel selezionare i tipi di galassie e distanze cosmiche necessari a studiare questi processi dell’Universo primordiale. Masoumeh Ghasemi-Nodehi, postdoc all’IPM e collaboratrice di questo progetto, ha spiegato:

Come primo passo, eravamo interessati a simulare l’emissione del radio dall’ISM di galassie tipiche ad alto redshift, utilizzando come modelli le normali galassie a spirale attuali, come M51, NGC 6946 e M33. La nostra simulazione tiene conto di due diversi meccanismi di radiazione: la radiazione libera termica e la radiazione di sincrotrone non termica. Abbiamo dimostrato che le indagini a radiofrequenza SKAO nella prima fase, 1 MID (SKA1-MID) possono mappare la radiazione di sincrotrone nelle galassie simili a M51 fino a un redshift di 3, quando l’Universo aveva solo un settimo della sua età attuale.

In epoche precedenti a quelle raggiungibili con SKA, ci si aspetta che sia le particelle relativistiche che i campi magnetici causino pressioni più elevate nel mezzo interstellare. Questo a causa del livello più alto di attività di formazione stellare in queste prime galassie. Questa aspettativa è stata dimostrata dal nuovo studio, ma si vedrà se SKA  potrà confermarla.

Sicuramente, grazie alla sensibilità e alla velocità di rilevamento della strumentazione, questo nuovo gigantesco radiotelescopio farà luce su temi essenziali dell’astrofisica. Tra i suoi obiettivi c’è lo studio della formazione delle strutture nell’Universo primordiale, la nascita delle prime stelle e galassie, l’evoluzione cosmica delle galassie. Nella maggior parte dei casi, questi fenomeni saranno studiati attraverso indagini a più lunghezze d’onda che copriranno diverse aree del cielo.

Lo studio, pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, è disponibile qui.

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