Si sono formate prima le stelle o i buchi neri?

RICERCANDO ALL’ESTERO – Anna Feltre lavora a Lione, al Centre de Recherche Astrophysique, e studia l’attività galattica, cioè l’attività di formazione stellare e di accrescimento gravitazionale dei buchi neri (fenomeni chiamati AGN, nuclei galattici attivi), attraverso modelli che simulano l’emissione di gas interstellare ionizzato prodotto da queste sorgenti. L’obiettivo della sua ricerca è ottenere dei modelli di ionizzazione validi che permettano di comprendere la storia e l’evoluzione dell’Universo, l’origine delle sue varie componenti e come l’Universo si è arricchito di metalli.

Che tipo di informazioni si ricavano dall’emissione di radiazioni ionizzanti?

Gli spettri di emissione sono generalmente usati per ottenere informazioni sulla natura della radiazione ionizzante in una galassia e sulle condizioni fisiche nel mezzo interstellare (ISM). Dalle linee di emissione, infatti, è possibile stimare la densità del gas interstellare, le abbondanze chimiche, il contenuto di polveri, se la ionizzazione è dominata da stelle o da buchi neri.

Il mio lavoro consiste nel creare dei modelli di emissione, cioè degli spettri sintetici di stelle e AGN, e poi confrontarli con i dati ottenuti dalle campagne osservative; l’idea è mettere a punto dei diagrammi diagnostici che permettano di interpretare le osservazioni, distinguere l’emissione dovuta ai due tipi di sorgente e identificarne le rispettive abbondanze chimiche. Lo scopo ultimo è ottenere una simulazione realistica della formazione ed evoluzione galattica per futuri studi predittivi o missioni spaziali osservative.
Dalle osservazioni e simulazioni fatte finora non siamo ancora riusciti rispondere a una delle principali domande in astrofisica, cioè se si sono formati prima i buchi neri o le stelle.

Che tipo di osservazioni spaziali usi?

In passato ho usato un approccio multibanda e dati provenienti da vari strumenti, sia da terra che spaziali e sia di fotometria a banda larga sia di spettroscopia; parliamo di strumenti come SDSS (Sloan Digital Sky Survey) o HST (Hubble Space Telescope).

Arrivata a Lione, mi sono focalizzata su un particolare intervallo dello spettro elettromagnetico, cioè la banda ottica e ultravioletta (UV), e quindi per i miei modelli ho usato i dati di MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer), presente sul VLT (Very Large Telescope) in Chile, e di Herschel. MUSE è uno spettrografo di nuova generazione che permette di fare spettroscopia spazialmente risolta: in pratica, invece di avere solo lo spettro integrato con tutta la luminosità della galassia, è possibile ottenere delle mappe 3D della distribuzione del gas, della variazione degli elementi chimici in funzione del raggio della galassia, dell’estensione spaziale di un AGN (se presente) e di quanto questo può influenzare l’emissione di tutta la galassia. Così facendo non ci si limita a studiare le proprietà medie di una galassia ma si riescono ad avere addirittura le proprietà locali.
MUSE tra l’altro è appena stato dotato di ottica adattiva che permetterà di spingersi più lontano e di avere una maggiore risoluzione non solo sulle galassie vicine.

Un altro strumento a spettroscopia parzialmente risolta verrà lanciato nel 2018 a bordo del nuovo JWST (James Webb Space Telescope), missione nata dalla collaborazione tra ESA e NASA: si tratta di NIRspec, uno spettrografo di produzione tutta europea che darà informazioni sull’emissione in ottico e UV fino a redshift 10, corrispondente alle galassie più lontane che possiamo osservare.

Come è possibile distinguere la ionizzazione dovuta alle stelle giovani da quella dovuta all’AGN?

Questi due fenomeni lasciano delle impronte diverse sullo spettro elettromagnetico, cioè hanno righe di ionizzazione più o meno forti. L’AGN ha, in media, uno spettro più forte rispetto a quello delle stelle perché è capace di ionizzare elementi chimici con potenziale di ionizzazione molto alto. Nell’ottico si tratta principalmente di ossigeno terzo, nell’ultravioletto per la maggior parte è carbonio terzo e carbonio quarto, azoto quinto, tutti elementi ionizzati tre o quattro volte: più alto è il numero di elettroni persi, più energia serve per toglierne un altro (generalmente superiore a 50 eV), più alto è il potenziale di ionizzazione. In linea generale, l’AGN produce questi elementi molto più facilmente rispetto alle stelle, a parte quelle molto molto giovani e con determinata metallicità. A questo proposito, un’altra grande questione è che si pensa esistano, nell’Universo lontano, galassie giovani con uno spettro molto energetico: il punto cruciale è riuscire a distinguerle dall’AGN.

Analizzando gli spettri di emissione di stelle e AGN si possono creare, dal punto di vista teorico, dei cosiddetti diagrammi diagnostici per identificare le righe di emissione più sensibili agli AGN e quelle più sensibili alle stelle in modo da riuscire a distinguere le due sorgenti ionizzanti. Ci sono diagrammi molto validi per la banda ottica, mentre negli ultravioletti la carenza di dati non ha permesso di studiare nel dettaglio queste due attività galattiche. Con la nostra ricerca abbiamo messo a punto nuovi diagrammi specifici per gli UV, basati su una decina di galassie, che hanno confermato le predizioni teoriche. Per interpretare l’emissione combinata di AGN e stelle abbiamo inserito i nostri modelli in appositi codici bayesiani, in modo da riuscire a derivare la massa stellare, il tasso di formazione stellare, la frazione di AGN e la metallicità del gas. Studiando questi parametri a diversi redshift, possiamo capire come evolvono le proprietà del gas nell’Universo vicino e in quello lontano.
Per fare studi statistici sulle abbondanze relative di AGN e stelle useremo i nuovi dati osservativi che arriveranno dalle osservazioni future come quelle di JWST.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Stiamo aspettando con entusiasmo il nuovo spettrografo NIRspec che ci darà una grossa statistica in termini di osservazioni; con questi dati potremo implementare e migliorare le simulazioni dei nostri modelli. Per ora sono già stati testati alcuni modelli predittivi che studiano le galassie nane con basso contenuto di metalli presenti nell’Universo locale, le cui caratteristiche si pensa siano simili a quelle delle galassie primordiali lontane.

Ci sono altri spettrografi che stanno per essere messi in funzione: nel 2024 sarà la volta di E-ELT (European Extremely Large Telescope), sempre in Chile ma su una montagna vicina a VLT. Su questo telescopio verranno montati spettrografi di nuova generazione più potenti e in grado di dare informazioni più dettagliate.

Un’altra missione molto attesa è Euclid dell’ESA, che ci permetterà di ottenere dati sulla materia e l’energia oscura.

Nome: Anna Feltre
Età: 33 anni
Nata a: Arzignano (VI)
Vivo a: Lione (Francia)
Dottorato: astronomia (Padova)
Ricerca: Modellizzazione spettrale di galassie e nuclei galattici attivi
Istituto: Equipe GALPAC, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (Francia)
Interessi: viaggiare, cucinare, leggere
Di Lione mi piace: le passeggiate sul lungofiume, i bouchons, il vino, l’ottima posizione per fare gite fuori città
Di Lione non mi piace: le nuvole grigie che si vedono un po’ troppo spesso!
Pensiero: Bisognerebbe rendere tutto il più semplice possibile, ma non troppo semplice. (A. Einstein)

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