La nascita delle stelle nelle galassie più lontane

Le galassie ad alto redshift sono le galassie più lontane dell’Universo osservabile; il loro studio è estremamente interessante per i cosmologi e gli astrofisici perché può fornire informazioni sull’Universo nel periodo subito dopo il Big Bang.

Livia Vallini è al Leiden Observatory (Paesi Bassi) per studiare la struttura interna delle galassie che si sono formate quando l’Universo aveva tra i 500 milioni e 1 miliardo di anni. Vallini sviluppa simulazioni e modelli teorici per spiegare la fisica del gas interstellare, considerato il carburante della formazione stellare. I risultati vengono poi confrontati con le informazioni fornite dal radio telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimiter Array), progettato per osservare il cielo a un’altissima risoluzione spaziale e in grado di registrare le righe di emissione del gas freddo da cui si originano le stelle.

Nome: Livia Vallini
Età: 32 anni
Nata a: Pontedera (PI)
Vivo a: Leiden (Paesi Bassi)
Dottorato in: fisica (Pisa)
Ricerca: Le proprietà del mezzo interstellare delle prime galassie
Istituto: Leiden Observatory, Faculty of Science of Leiden University (Paesi Bassi)
Interessi: teatro, montagna, musica, leggere
Di Leiden mi piace: la gente è molto spontanea e alla mano
Di Leiden non mi piace: il cielo grigio
Pensiero: You can’t always get what you want, but if you try sometimes you might find… You get what you need! (Rolling Stones)

Qual è l’impatto delle galassie ad alto redshift sull’evoluzione dell’Universo?

Prima che queste galassie si formassero, l’Universo stava attraversando una fase buia: non c’erano sorgenti di fotoni, la materia era fredda e il gas si stava addensando sempre più a causa della gravità. Lentamente, da queste regioni molto dense si cominciarono a formare le prime stelle e le prime galassie: l’Universo uscì dalla fase oscura e cominciò la cosiddetta epoca della re-ionizzazione.

I meccanismi alla base della formazione delle galassie non sono ancora chiari, così come poco si sa sul contenuto del gas freddo, o gas molecolare, che è stato il vero e proprio carburante della nascita delle prime stelle. Conoscere la struttura interna delle galassie ad alto redshift non solo può far luce sui processi avvenuti nella fase di re-ionizzazione ma può darci informazioni su tutta l’evoluzione dell’Universo. In particolare, la mia ricerca si propone di analizzare queste galassie singolarmente, in modo da individuare il valore della massa delle stelle che vi sono contenute, la massa del gas molecolare, il tasso di formazione stellare, la velocità di formazione delle stelle.

Che tipo di simulazioni usate?

Si parte sempre da simulazioni di grossi volumi di Universo, in modo da coprire il maggiore spazio possibile (anche 10-100 milioni di parsec) e tenere in considerazione tutti i processi di formazione stellare, la forza di gravità, l’influenza del mezzo interstellare, … Successivamente si aumenta la risoluzione spaziale fino ad analizzare gruppi di 4-5 galassie; ci sono simulazioni molto buone (vedi immagine) che riescono a fare uno zoom su singole galassie e raggiungono addirittura una risoluzione di 30 parsec. Tuttavia, per studiare la chimica e la fisica del gas molecolare, bisogna scendere a scale ancora più piccole: i modelli astrochimici che sviluppo nella mia ricerca hanno una risoluzione nell’ordine del parsec.

Grazie a questi modelli è possibile simulare delle ipotetiche mappe di emissione che descrivono punto per punto lo spettro elettromagnetico di singole galassie. Queste mappe possono essere confrontate con quelle delle galassie più conosciute, come quelle dell’Universo locale, per stabilire se le condizioni del gas sono simili o diverso. E da qui, cerchiamo di fare delle ipotesi sui processi alla base della formazione stellare.

Come viene misurata la bontà del modello di simulazione?

Si usano i dati raccolti dall’interferometro ALMA, un telescopio situato in Cile e progettato per osservare il cielo a lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche. Grazie al suo alto livello di precisione, ALMA ci permette di studiare le condizioni fisiche e chimiche del gas molecolare da cui si formano le stelle. ALMA, infatti, è in grado di osservare le righe di emissione dei vari composti chimici presenti all’interno del gas; attraverso l’interpretazione degli spettri ottenuti, è possibile determinare il contenuto chimico delle nubi fredde dello spazio interstellare. Le righe che ci interessano di più sono quelle del monossido di carbonio CO e del carbonio ionizzato C⁺, presenti tra l’altro anche nelle galassie più vicine a noi, come la Via Lattea.

Il C⁺ è quello che ha la riga più luminosa, situata a 158 µm e molto importante perché indica la presenza di gas freddo. In base alla luminosità delle righe si può capire quanto è denso il gas, il campo di radiazione delle stelle e quanto è stata arricchita chimicamente la galassia. Per esempio, una maggiore presenza di carbonio può indicare più esplosioni di supernove, che sono le maggiori responsabili del cosiddetto inquinamento (arricchimento) del mezzo interstellare.

Cosa avete scoperto sulla struttura interna delle galassie lontane?

Le galassie ad alto redshift sono molto diverse da quelle che abbiamo nell’universo locale: sono molto più compatte, e quindi più piccole, formano stelle più velocemente, sono parecchio influenzate dalle galassie nello spazio circostante e fanno merging. Inoltre sono molto più turbolente e questo ha un effetto molto grande sulla struttura interna delle nubi in cui si formano le stelle. Probabilmente la turbolenza influenza anche la luminosità delle righe di emissione e questo spiegherebbe la discrepanza tra la luminosità osservata e quella simulata. Secondo le predizioni, infatti, le abbondanze di carbonio dovrebbero essere ben più basse rispetto a quelle dell’Universo locale, dove le stelle hanno avuto più tempo per esplodere e quindi per inquinare (arricchire) il mezzo interstellare di carbonio.

Quali sono le prospettive del tuo lavoro?

Adesso mi sto occupando delle simulazioni delle righe molecolari, come quella del monossido di carbonio. Sto cercando di mettere a punto dei modelli analitici semplificati che riescano a dare una stima sensata della luminosità senza dover partire da una simulazione su larga scala.

Inoltre sto lavorando sull’effetto dei buchi neri, cioè dei fotoni emessi dal gas in accrescimento attorno al buco, sulle righe di emissione.

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