Filamento di idrogeno lungo 3.900 anni luce

Circa 13,8 miliardi di anni fa, il nostro Universo nacque in una massiccia esplosione che diede origine alle prime particelle subatomiche e alle leggi della fisica come le conosciamo. Circa 370.000 anni dopo, si era formato l’idrogeno, l’elemento costitutivo delle stelle, che fondono idrogeno ed elio al loro interno per creare tutti gli elementi più pesanti. Sebbene l’idrogeno rimanga l’elemento più pervasivo nell’universo, può essere difficile rilevare singole nubi di idrogeno gassoso nel mezzo interstellare (ISM).

Ciò rende difficile la ricerca sulle prime fasi della formazione stellare, che offrirebbero indizi sull’evoluzione delle galassie e del cosmo. Un team internazionale guidato da astronomi del Istituto di astronomia Max Planck (MPIA) ha recentemente notato un enorme filamento di idrogeno atomico nella nostra galassia. Questa struttura, denominata “Maggie”, si trova a circa 55.000 anni luce (dall’altra parte del via Lattea) ed è una delle strutture più lunghe mai osservate nella nostra galassia.

Lo studio che descrive le loro scoperte, recentemente apparso sulla rivista Astronomia e astrofisica, è stato guidato da Jonas Syed, un dottorato di ricerca. studente al MPIA. È stato raggiunto da ricercatori dell’Università di Vienna, il Centro di astrofisica Harvard-Smithsonian (CfA), il Istituto Max Planck per la Radioastronomia (MPIFR), l’Università di Calgary, l’Universität Heidelberg, il Centro di Astrofisica e Scienze Planetarieil Argelander-Istituto di astronomial’Indian Institute of Science, e Nasa‘s Jet Propulsion Laboratory (JPL).

La ricerca si basa sui dati ottenuti dal Rilievo HI/OH/Linea di ricombinazione della Via Lattea (THOR), un programma di osservazione che si basa sul Karl G. Jansky Array molto grande (VLA) nel Nuovo Messico. Utilizzando le antenne radio a onde centimetriche del VLA, questo progetto studia la formazione di nubi molecolari, la conversione dell’idrogeno atomico in molecolare, il campo magnetico della galassia e altre questioni relative all’ISM e alla formazione stellare.

Lo scopo finale è determinare in che modo i due isotopi dell’idrogeno più comuni convergono per creare nubi dense che sorgono verso nuove stelle. Gli isotopi includono l’idrogeno atomico (H), composto da un protone, un elettrone e nessun neutrone, e l’idrogeno molecolare (H₂) è composto da due atomi di idrogeno tenuti insieme da un legame covalente. Solo quest’ultimo si condensa in nubi relativamente compatte che svilupperanno regioni gelide dove alla fine emergeranno nuove stelle.

Questa immagine mostra una sezione della vista laterale della Via Lattea misurata dal satellite Gaia dell’ESA. La banda scura è costituita da gas e polvere, che attenuano la luce delle stelle incorporate. Il Centro Galattico della Via Lattea è indicato sulla destra dell’immagine, brillando brillantemente sotto la zona oscura. La casella a sinistra del centro segna la posizione del filamento «Maggie». Mostra la distribuzione dell’idrogeno atomico. I colori indicano diverse velocità del gas. Credito: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO & T. Müller/J. Syed/MPIA

Il processo di transizione dell’idrogeno atomico all’idrogeno molecolare è ancora in gran parte sconosciuto, il che ha reso questo filamento straordinariamente lungo una scoperta particolarmente eccitante. Mentre le più grandi nubi di gas molecolare conosciute misurano tipicamente circa 800 anni luce di lunghezza, Maggie misura 3.900 anni luce di lunghezza e 130 anni luce di larghezza. Come ha spiegato Syed in un recente MPIA comunicato stampa:

“La posizione di questo filamento ha contribuito a questo successo. Non sappiamo ancora esattamente come sia arrivato lì. Ma il filamento si estende per circa 1600 anni luce al di sotto del piano della Via Lattea. Le osservazioni ci hanno anche permesso di determinare la velocità dell’idrogeno gassoso. Questo ci ha permesso di mostrare che le velocità lungo il filamento differiscono appena.«

L’analisi del team ha mostrato che la materia nel filamento aveva una velocità media di 54 km/s^-1, che hanno determinato principalmente misurandolo contro la rotazione del disco della Via Lattea. Ciò significava che la radiazione a una lunghezza d’onda di 21 cm (aka. il»linea dell’idrogeno“) era visibile sullo sfondo cosmico, rendendo la struttura distinguibile. «Le osservazioni ci hanno anche permesso di determinare la velocità dell’idrogeno gassoso», ha affermato Henrik Beuther, capo di THOR e coautore dello studio. «Questo ci ha permesso di dimostrare che le velocità lungo il filamento differiscono appena».

Questa immagine in falsi colori mostra la distribuzione dell’idrogeno atomico misurato a una lunghezza d’onda di 21 cm. La linea tratteggiata rossa traccia il filamento “Maggie”. Credito: J. Syed/MPIA

Da questo, i ricercatori hanno scoperto che Maggie è una struttura coerente. Questi risultati hanno confermato le osservazioni fatte un anno prima da Juan D. Soler, un astrofisico dell’Università di Vienna e coautore dell’articolo. Quando osservò il filamento, gli diede il nome del fiume più lungo della sua nativa Colombia: il Río Magdalena (anglicizzato: Margaret, o «Maggie»). Sebbene Maggie fosse riconoscibile nella precedente valutazione di Soler dei dati THOR, solo lo studio attuale dimostra senza ombra di dubbio che si tratta di una struttura coerente.

Sulla base di dati precedentemente pubblicati, il team ha anche stimato che Maggie contenga l’8% di idrogeno molecolare in una frazione di massa. A un esame più attento, il team ha notato che il gas converge in vari punti lungo il filamento, il che li ha portati a concludere che l’idrogeno gassoso si accumula in grandi nubi in quei punti. Essi ipotizzano inoltre che il gas atomico si condenserà gradualmente in una forma molecolare in quegli ambienti.

«Tuttavia, molte domande rimangono senza risposta», ha aggiunto Syed. «Ulteriori dati, che speriamo ci forniscano ulteriori indizi sulla frazione di gas molecolare, sono già in attesa di essere analizzati». Fortunatamente, presto diventeranno operativi diversi osservatori spaziali e terrestri, telescopi che in futuro saranno attrezzati per studiare questi filamenti. Questi includono il Telescopio spaziale James Webb (JWST) e sondaggi radiofonici come il Matrice di chilometri quadrati (SKA), che ci permetterà di vedere il primissimo periodo dell’Universo («Alba cosmica”) e le prime stelle del nostro Universo.

Originariamente pubblicato il Universo oggi.

Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere Enorme struttura del filamento – 3900 anni luce – Scoperta nella Via Lattea.

Riferimento: «Il filamento «Maggie»: proprietà fisiche di una nuvola atomica gigante» di J. Syed, J. D. Soler, H. Beuther, Y. Wang, S. Suri, J. D. Henshaw, M. Riener, S. Bialy, S. Rezaei Kh., JM Stil, PF Goldsmith, MR Rugel, SCO Glover, RS Klessen, J. Kerp, JS Urquhart, J. Ott, N. Roy, N. Schneider, RJ Smith, SN Longmore e H. Linz, 20 dicembre 2021, Astronomia e astrofisica.
DOI: 10.1051/0004-6361/202141265