Osservazioni di Lampi Gamma con il VLT rivelano un ingrediente sorprendente nelle galassie primordiali

I lampi gamma sono le più brillanti esplosioni nell'Universo [1]. Sono individuati da osservatori orbitali che rivelano il primo brevissimo lampo di raggi gamma. Dopo che la posizione viene individuata con accuratezza sono quindi immediamente studiati da terra con telescopi di grandi dimensioni che possono studiare la post-luminescenza (afterglow in inglese) che il lampo gamma emette in luce visibile e infrarossa nelle ore e giorni successivi. Uno di questi, chiamato  GRB 090323 [2], è stato visto da Fermi, il telescopio per raggi gamma della NASA. Poco dopo è stato individuato dal rivelatore per raggi X del satellite Swift della NASA e con il sistema GROND al telescopio dell'MPG/ESO da 2,2 m in Chile (eso1049) e quindi studiato in dettaglio con il telescopio VLT (Very Large Telescope) dell'ESO appena un giorno dopo l'esplosione.

L'osservazione del VLT mostra che la luce brillante del lampo gamma è passata sia attraverso la galassia ospite che un'altra galassia vicina. Queste galassie vengono osservate com'erano circa 12 miliardi di anni fa [3]. Galassie così distanti sono raramente illuminate dal bagliore di un lampo gamma.

"Quando abbiamo studiato la luce di questo lampo gamma non sapevamo cos'avremmo potuto trovare. È stata una sorpresa scoprire che il gas freddo di queste due galassie dell'Universo primordiale aveva una composizione chimica così strana" spiega Sandra Savaglio (Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germania), prima autrice dell'articolo che spiega i nuovi risultati. "Queste galassie hanno più elementi pesanti di quanto non sia mai stato visto in una galassia in un tempo così remoto nell'evoluzione dell'Universo. Non ci aspettavamo che l'Universo fosse così maturo, così evoluto chimicamente, così presto".

Quando la luce del lampo gamma passa attraverso la galassia, il gas funziona da filtro e assorbe parte della luce, a lunghezze d'onda specifiche. Senza il lampo gamma queste galassie sono così deboli da risultare invisibili. Analizzando attentamente le impronte rivelatrici dei diversi elementi chimici l'equipe ha potuto decodificare la composizione del gas freddo di queste galassie lontane e in particolare scoprire quanto fossero ricche di elementi pesanti.

Ci si aspetta che le galassie dell'universo giovane contengano minori quantità di elementi pesanti rispetto alle galassie odierne, come la Via Lattea. Gli elementi più pesanti sono prodotti dalla vita e dalla morte delle varie generazioni di stelle, che a mano a mano arricchiscono il gas delle galassie [4]. Gli astronomi possono usare l'arricchimento chimico delle galassie per scoprire quanto lunga sia stata la loro vita. Ma le nuove osservazioni, sorprendentemente, rivelano che alcune galassie avevano molti elementi pesanti meno di due miliardi di anni dopo il Big Bang. Qualcosa di impensabile finora.

La coppia di galassie appena scoperta deve formare stelle a un tasso molto rapido per poter arricchire il gas freddo così in fretta e così tanto. Poichè le due galassie sono molto vicine, potrebbero essere sul punto di fondersi, cosa che provocherebbe un aumento della formazione di stelle, quando le nubi di gas si scontrano. Il nuovo risultato inoltre conferma l'idea che i lampi gamma possano essere associati a eventi di formazione stellare massiccia.

La formazione stellare così energetica potrebbe essere terminata molto presto nella storia dell'Universo. Dodici miliardi di anni dopo, cioè oggi, i resti di queste galassie conterrebbero grandi quantita di resti di stelle come buchi neri e stelle nane, che formano una popolazione difficile da rivelare di "galassie morte", deboli ombre di quello che sono state nella loro brillante gioventù. Trovare questi resti nell'Universo attuale è una vera sfida.

"Siamo stati molto fortunati ad osservare GRB 090323 quando era ancora sufficientemente brillante, così è stato possibile ottenere osservazioni spettacolari con il VLT. I lampi gamma rimangono brillanti per un brevissimo tempo e ottenere dati di buona qualità è molto difficile. Speriamo di osservare ancora queste galassie in futuro, con strumenti più sensibili: sono perfetti obiettivi per le osservazioni con E-ELT", conclude Savaglio.

[1] I lampi gamma che durano più di due secondi sono chiamati "lampi lunghi" mentre quelli più brevi sono noti come "lampi corti". I lampi lunghi, tra cui quello studiato qui, sono associati con esplosioni di supernova di stelle giovani e massicce in galassie di alta formazione stellare. I lampi corti non sono ben compresi ancora, ma si pensa abbiano origine dalla fusione di due oggetti compatti come le stelle di neutroni.

[2] Il nome si riferisce alla data in cui il lampo è stato scoperto, in questo caso il 23 marzo 2009.

[3] Le galassie hanno un redshift di 3,57, cioè vengono viste circa 1,8 miliardi di anni dopo il Big Bang.

[4] Il materiale prodotto dal Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa, era composto quasi completamente da idrogeno e elio. La maggior parte degli elementi più pesanti, come ossigeno, azoto e carbonio, è stata prodotta successivamente dalle reazioni termonculeari all'interno delle stelle e riemessa nelle riserve di gas della galassia alla morte della stella. Così ci si aspetta che nella maggior parte delle galassie la quantità di elementi pesanti aumenti gradualmente a mano a mano che l'Universo invecchia.

Questa ricerca è stata presentata nell'articolo “Super-solar Metal Abundances in Two Galaxies at z ~ 3.57 revealed by the GRB 090323 Afterglow Spectrum” che verrà pubblicato dalla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

L'equipe è composta da S. Savaglio (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching bei München, Germania [MPE]), A. Rau (MPE), J. Greiner (MPE), T. Krühler (MPE; Technische Universität München, Garching, Germania [TUM]; Dark Cosmology Centre, University of Copenhagen, Danimarca), S. McBreen (University College Dublin, Irlanda; MPE), D. H. Hartmann (Clemson University, Clemson, USA), A. C. Updike (Clemson; Dickinson College, Carlisle, USA), R. Filgas (MPE), S. Klose (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Germania), P. Afonso (MPE), C. Clemens (MPE), A. Küpcü Yoldaş (ESO, Garching, Germania), F. Olivares E. (MPE), V. Sudilovsky (MPE; TUM) and G. Szokoly (Eötvös University, Budapest, Ungheria).

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