In questa immagine è raffigurata la caduta di una galassia ultra-diffusa blu in un sistema di galassie e la sua successiva espulsione come una galassia ultra-diffusa rossa. Credito: MIT
I risultati forniscono un modello per trovare tali sistemi nelle regioni più tranquille e più vuote dell'universo.
Per definizione, le galassie nane sono piccole e deboli, con solo una frazione delle stelle che si trovano nel via Lattea e altre galassie. Ci sono, tuttavia, giganti tra i nani: le galassie ultra-diffuse, o UDG, sono sistemi nani che contengono relativamente poche stelle ma sono sparse su vaste regioni. Poiché sono così diffusi, questi sistemi sono difficili da rilevare, sebbene la maggior parte sia stata trovata nascosta all'interno di ammassi di galassie più grandi e luminose.
Ora gli astronomi di CON, l'Università della California a Riverside e altrove hanno utilizzato simulazioni dettagliate per rilevare gli UDG "spenti", un raro tipo di galassia nana che ha smesso di generare stelle. Hanno identificato molti di questi sistemi nelle loro simulazioni e hanno scoperto che le galassie non erano in ammassi, ma piuttosto esiliate nei vuoti, regioni tranquille e quasi vuote dell'universo.
Questo isolamento va contro le previsioni degli astronomi su come dovrebbero formarsi gli UDG estinti. Quindi, il team ha utilizzato le stesse simulazioni per riavvolgere l'evoluzione dei sistemi nani e vedere esattamente come sono nati.
I ricercatori hanno scoperto che gli UDG spenti probabilmente si univano all'interno di aloni di materia oscura con un momento angolare insolitamente alto. Come una macchina per zucchero filato, questo ambiente estremo potrebbe aver prodotto galassie nane che erano distese in modo anomalo.
Questi UDG si sono poi evoluti all'interno di ammassi di galassie, come la maggior parte degli UDG. Ma le interazioni all'interno dell'ammasso probabilmente hanno espulso i nani nel vuoto, dando loro ampie traiettorie simili a boomerang note come orbite "backsplash". Nel processo, il gas delle galassie è stato strappato via, lasciando le galassie "spegnete" e incapaci di produrre nuove stelle.
Le simulazioni hanno mostrato che tali UDG dovrebbero essere più comuni di quanto è stato osservato. I ricercatori affermano che i loro risultati, pubblicati oggi in Astronomia naturale, forniscono agli astronomi un progetto per andare alla ricerca di questi giganti nani nei vuoti dell'universo.
"Ci sforziamo sempre di ottenere un consenso completo sulle galassie che abbiamo nell'universo", afferma Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT. “Questo studio sta aggiungendo una nuova popolazione di galassie che la simulazione prevede effettivamente. E ora dobbiamo cercarli nell'universo reale".
Vogelsberger ha co-diretto lo studio con Laura Sales della UC Riverside e José A. Benavides dell'Istituto di astronomia teorica e sperimentale in Argentina.
Rosso contro blu
La squadra Ricerca per gli UDG spenti è iniziato con un semplice sondaggio per i satelliti UDG, sistemi ultra diffusi che risiedono al di fuori degli ammassi di galassie. Gli astronomi prevedono che gli UDG all'interno degli ammassi dovrebbero essere spenti, poiché sarebbero circondati da altre galassie che essenzialmente eliminerebbero il gas già diffuso dell'UDG e interromperebbero la produzione stellare. Gli UDG spenti negli ammassi dovrebbero quindi consistere principalmente di vecchie stelle e apparire di colore rosso.
Se gli UDG esistono al di fuori degli ammassi, nel vuoto, ci si aspetta che continuino a sfornare stelle, poiché non ci sarebbe gas in competizione da altre galassie per spegnerli. Si prevede quindi che gli UDG nel vuoto siano ricchi di nuove stelle e appaiano blu.
Quando il team ha esaminato i precedenti rilevamenti di satelliti UDG, al di fuori dei cluster, hanno scoperto che la maggior parte era blu come previsto, ma alcuni erano rossi.
"Questo è ciò che ha attirato la nostra attenzione", afferma Sales. “E abbiamo pensato: 'Cosa ci fanno lì? Come si sono formati?' Non c'era una buona spiegazione".
Cubo galattico
Per trovarne uno, i ricercatori hanno esaminato TNG50, una simulazione cosmologica dettagliata della formazione di galassie sviluppata da Vogelsberger e altri al MIT e altrove. La simulazione viene eseguita su alcuni dei più potenti supercomputer del mondo ed è progettata per far evolvere un grande volume dell'universo, da condizioni simili a quelle subito dopo il Big Bang fino ai giorni nostri.
La simulazione si basa sui principi fondamentali della fisica e sulle complesse interazioni tra materia e gas, e i suoi risultati hanno dimostrato in molti scenari di concordare con ciò che gli astronomi hanno osservato nell'universo reale. TNG50 è stato quindi utilizzato come modello accurato di come e dove molti tipi di galassie si evolvono nel tempo.
Nel loro nuovo studio, Vogelsberger, Sales e Benavides hanno utilizzato il TNG50 per vedere se potevano individuare gli UDG spenti al di fuori degli ammassi di galassie. Hanno iniziato con un cubo dell'universo primordiale che misurava circa 150 milioni di anni luce e hanno portato avanti la simulazione, fino ai giorni nostri. Quindi hanno cercato nella simulazione specificamente gli UDG nei vuoti e hanno scoperto che la maggior parte di quelli rilevati erano blu, come previsto. Ma un numero sorprendente - circa il 25 percento - era rosso o spento.
Si sono concentrati su queste nane satellitari rosse e hanno utilizzato la stessa simulazione, questa volta come una sorta di macchina del tempo per vedere come, quando e dove hanno avuto origine queste galassie. Hanno scoperto che i sistemi inizialmente facevano parte di ammassi, ma sono stati in qualche modo lanciati nel vuoto, su un'orbita più ellittica, "backsplash".
"Queste orbite sono quasi come quelle delle comete nel nostro sistema solare", afferma Sales. “Alcuni escono e tornano in orbita, altri possono entrare una volta e poi mai più. Per gli UDG spenti, poiché le loro orbite sono così ellittiche, non hanno avuto il tempo di tornare indietro, nemmeno durante l'intera età dell'universo. Sono ancora in campo".
Le simulazioni hanno anche mostrato che il colore rosso degli UDG spenti derivava dalla loro espulsione, un processo violento che ha strappato via il gas di formazione stellare delle galassie, lasciandolo spento e rosso. Eseguendo le simulazioni più indietro nel tempo, il team ha osservato che i minuscoli sistemi, come tutte le galassie, hanno avuto origine in aloni di materia oscura, dove il gas si fonde in dischi galattici. Ma per gli UDG spenti, gli aloni sembravano ruotare più velocemente del normale, generando galassie distese e ultra diffuse.
Ora che i ricercatori hanno una migliore comprensione di dove e come sono nati gli UDG spenti, sperano che gli astronomi possano usare i loro risultati per mettere a punto i telescopi, per identificare più nane rosse così isolate, che le simulazioni suggeriscono debbano essere in agguato in un numero maggiore di quello che hanno gli astronomi così lontano rilevato.
"È piuttosto sorprendente che le simulazioni possano davvero produrre tutti questi oggetti molto piccoli", afferma Vogelsberger. “Prevediamo che ci dovrebbe essere più di questo tipo di galassia là fuori. Questo rende il nostro lavoro piuttosto eccitante”.
Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere Gli astronomi scoprono l'origine delle sfuggenti galassie ultradiffuse.
Riferimento: "Galassie ultra-diffuse quiescenti nel campo originate da orbite backsplash" di José A. Benavides, Laura V. Sales, Mario. G. Abadi, Annalisa Pillepich, Dylan Nelson, Federico Marinacci, Michael Cooper, Ruediger Pakmor, Paul Torrey, Mark Vogelsberger e Lars Hernquist, 6 settembre 2021, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-021-01458-1
