Il telescopio spaziale JWST scopre una barra stellare nell’universo primordiale che infrange tutte le regole.

Gli astronomi che utilizzano il telescopio spaziale James Webb (JWST) hanno scoperto una barra stellare in GN20, una galassia massiccia osservata appena 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang. Il nuovo articolo è stato inviato al server di preprint arXiv il 14 maggio.

Imbuti cosmici

Le barre stellari sono formazioni allungate di stelle che attraversano il centro di una galassia, ruotando come un’unica unità rigida. Ruotando, agiscono come un imbuto, attirando il gas verso il nucleo galattico, il che può innescare un’intensa formazione stellare, alimentare il buco nero centrale e contribuire alla formazione di un nucleo denso. Nell’universo vicino, le barre sono comuni. Persino la Via Lattea ne ospita una.

Si ritiene tuttavia che la formazione di una barra stellare sia un processo lento, che si protrae per miliardi di anni. Le galassie primordiali erano inoltre ricche di gas, e si pensava che il gas sopprimesse o ritardasse la formazione delle barre. Pertanto, quando il JWST ha scoperto barre stellari entro i primi 2 miliardi di anni dopo il Big Bang, ha messo in discussione le previsioni del modello standard.

È in questo contesto che, in un nuovo studio, gli astronomi guidati da Leindert A. Boogaard dell’Università di Leiden hanno esaminato GN20, una galassia massiccia e ricca di gas a redshift 4. GN20 è distante, debole e avvolta dalla polvere. Tuttavia, lo strumento a infrarossi medi e la telecamera a infrarossi vicini del JWST hanno reso trasparente la polvere e ne hanno rivelato la struttura interna.

Contro ogni previsione

La misurazione di come la luminosità della luce della galassia si estende e ruota dal centro verso l’esterno, nota anche come analisi isofotica, ha rivelato una chiara struttura a barra che si estende per sette kiloparsec da un’estremità all’altra.

Un’analisi matematica completamente separata del modello di luce lo ha confermato in modo indipendente. La struttura si allinea anche con una caratteristica a forma di barra osservata nella polvere mappata da un altro telescopio, il Northern Extended Millimeter Array (NOEMA).

Questa scoperta è notevole perché, secondo le teorie, tecnicamente non dovrebbe esistere per tre motivi. Le barre che si formano di solito sono così resistenti da collassare sotto il proprio peso. Anche se una di esse sopravvivesse, la sua crescita fino a sette kiloparsec richiederebbe miliardi di anni, e l’abbondanza di gas avrebbe dovuto ritardarne o arrestarne la formazione.

“I nostri nuovi risultati dimostrano che tutti e tre questi ostacoli possono essere superati da un singolo ingrediente direttamente implicato dalle osservazioni: la presenza di gas altamente turbolento attraverso il disco interno ad alta frazione di gas”, scrive il team nell’articolo.

I ricercatori rilevano alcune incertezze: la stima della massa stellare della barra e delle regioni centrali è complicata dall’estrema presenza di polvere nella galassia, e alcune misurazioni richiederanno dati più precisi. Tuttavia, affermano che nulla di tutto ciò modifica la conclusione principale dell’articolo: GN20 è un sistema ricco di gas e la barra stellare è reale.

L’agente scatenante

Le osservazioni mostrano anche dove si concentra la formazione stellare. Dove la barra incontra il disco esterno a sud, il gas si accumula e innesca un punto caldo di intensa formazione stellare. Al centro, la barra sta spingendo materiale verso l’interno, alimentando un’intensa attività di formazione stellare nucleare e probabilmente alimentando un buco nero supermassiccio, probabilmente uno dei principali responsabili dello straordinario tasso di formazione stellare di GN20, superiore a 1.000 masse solari all’anno.

“Parte di questo elevato tasso di formazione stellare è probabilmente dovuto alla barra che convoglia gas e polveri verso il centro, dove innesca un’intensa attività di formazione stellare nucleare nel disco ricco di gas e alimenta il potenziale nucleo galattico attivo”, spiega il team.

In tal caso, le galassie simili a GN20 potrebbero non essere semplicemente una fase nell’evoluzione di una galassia. Il tasso di formazione stellare guidato dalla barra potrebbe spiegare un altro enigma dell’universo.

Una volta esaurito il gas necessario alla formazione stellare, la galassia smette di formare nuove stelle e diventa quieta. Questo potrebbe essere l’anello mancante che spiega come le massicce galassie ellittiche morte che vediamo oggi nell’universo siano diventate tali e perché alcune di esse sembrano essersi spente così presto.

Il modello classico per la formazione delle barre stellari – fattori dinamici chiave nell’evoluzione delle galassie – prevede un’evoluzione secolare dell’instabilità in dischi stellari poveri di gas. La rilevazione, tramite il telescopio spaziale James Webb (JWST), di barre stellari e bracci a spirale in galassie primordiali ha quindi messo in discussione le previsioni basate sul modello LambdaCDM, che studi recenti conciliano suggerendo che queste galassie siano dominate dai barioni e abbiano già consumato la maggior parte del loro gas. Tuttavia, sorge un paradosso, poiché ci si aspetta che le galassie primordiali siano sempre più ricche di gas, il che generalmente si ritiene impedisca o rallenti la formazione di barre stellari. Qui, mostriamo la rilevazione di una barra stellare in GN20, una galassia a disco ricca di gas e attiva nella formazione stellare, a un redshift di z=4,055, a soli 1,5 miliardi di anni dal Big Bang. Osservazioni simultanee di stelle, gas e polvere rivelano che GN20 è effettivamente dominata dai barioni (rispetto alla materia oscura; 70+/-30%), ma la massa barionica è in gran parte costituita da gas (75+/-25%). Questa scoperta dimostra che i dischi ricchi di gas supportano la rapida formazione di barre stellari nell’Universo primordiale, motivando una nuova prospettiva teorica sulla formazione di barre in sistemi ricchi di gas e fornendo un potenziale nuovo meccanismo per l’assemblaggio e lo spegnimento delle galassie nelle primissime fasi dell’universo.

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