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Uno tsunami cosmico come sveglia per galassie comatose

Immagine radio, realizzata co il Giant Metrewave Radio Telescope, mette in evidenza l’onda d’urto (un arco luminoso che va da sinistra in basso a destra in alto) all’interno dell’ammasso "Salsiccia". L'onda d'urto è stata generata un miliardo di anni fa al momento della collisione e si muove alla velocità molto elevata di 9 milioni di chilometri all'ora.
Immagine radio, realizzata co il Giant Metrewave Radio Telescope, mette in evidenza l’onda d’urto (un arco luminoso che va da sinistra in basso a destra in alto) all’interno dell’ammasso "Salsiccia". L'onda d'urto è stata generata un miliardo di anni fa al momento della collisione e si muove alla velocità molto elevata di 9 milioni di chilometri all'ora. Credit: Andra Stroe

Le galassie sono generalmente raggruppate in ammassi e tra queste, quelle più vicine a noi, hanno smesso di formare stelle in un lontano passato. Ora, però, un team internazionale di astronomi, guidato da Andra Stroe del Leiden Observatory e da David Sobral del Leiden and the University di Lisbona, hanno scoperto che queste galassie dormienti a volte possono tornare alla vita. Ciò avviene quando si fondono ammassi di galassie, generando un'enorme onda d'urto in grado di guidare la nascita di una nuova generazione di stelle.

Gli scienziati hanno pubblicato il loro lavoro sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

 The rise and fall of star-formation in z∼0.2 merging galaxy clusters [abstract]

CIZA J2242.8+5301 (`Sausage') and 1RXS J0603.3+4213 (`Toothbrush') are two low-redshift (z∼0.2), massive (∼2×1015M⊙), post-core passage merging clusters, which host shock waves traced by diffuse radio emission. To study their star-formation properties, we uniformly survey the `Sausage' and `Toothbrush' clusters in broad and narrow band filters and select a sample of 201 and 463 line emitters, down to a rest-frame equivalent width (13{\AA}). We robustly separate between Hα and higher redshift emitters using a combination of optical multi-band (B, g, V, r, i, z) and spectroscopic data. We build Hα luminosity functions for the entire cluster region, near the shock fronts, and away from the shock fronts and find striking differences between the two clusters. In the dynamically younger, 1 Gyr old `Sausage' cluster we find numerous (59) Hα emitters above a star-formation rate (SFR) of 0.17 M$_{\sun}$ yr−1 surprisingly located in close proximity to the shock fronts, embedded in very hot intra-cluster medium plasma. The SFR density for the cluster population is at least at the level of typical galaxies at z∼2. Down to the same star-formation rate, the possibly dynamically more evolved `Toothbrush' cluster has only 9 Hα galaxies. The cluster Hα galaxies fall on the SFR-stellar mass relation z∼0.2 for the field. However, the `Sausage' cluster has an Hα emitter density >20 times that of blank fields. If the shock passes through gas-rich cluster galaxies, the compressed gas could collapse into dense clouds and excite star-formation for a few 100 Myr. This process ultimately leads to a rapid consumption of the molecular gas, accelerating the transformation of gas-rich field spirals into cluster S0s or ellipticals.

MC2: Boosted AGN and star-formation activity in CIZA J2242.8+5301, a massive post-merger cluster at z=0.19 [abstract]

Cluster mergers may play a fundamental role in the formation and evolution of cluster galaxies. Stroe et al. (2014) revealed unexpected over-densities of candidate Hα emitters near the ~1 Mpc-wide shock fronts of the massive (~2x1015M⊙) "Sausage" merging cluster, CIZA J2242.8+5301. We used Keck/DEIMOS and WHT/AF2 to confirm 83 Hα emitters in and around the merging cluster. We find that cluster star-forming galaxies in the hottest X-ray gas and/or in the cluster sub-cores (away from the shock fronts) show high [SII]6716/[SII]6761 and high [SII]6716/Hα, implying very low electron densities (<30x lower than all other star-forming galaxies outside the cluster) and significant contribution from supernovae, respectively. All cluster star-forming galaxies near the cluster centre show evidence of significant outflows (blueshifted Na D~200-300km/s), likely driven by supernovae. Strong outflows are also found for the cluster Hα AGN. Hα star-forming galaxies in the merging cluster follow the z~0 mass-metallicity relation, showing systematically higher metallicity (~0.15-0.2 dex) than Hα emitters outside the cluster (projected R>2.5 Mpc). This suggests that the shock front may have triggered remaining metal-rich gas which galaxies were able to retain into forming stars. Our observations show that the merger of impressively massive (~1015M⊙) clusters can provide the conditions for significant star-formation and AGN activity, but, as we witness strong feedback by star-forming galaxies and AGN (and given how massive the merging cluster is), such sources will likely quench in a few 100 Myrs.

Gli ammassi di galassie sono come le città, dove migliaia di galassie possono trovarsi insieme molto vicine, almeno a confronto allo spazio vuoto intorno a loro. Nel corso di miliardi di anni, si accumulano costruendo una struttura nell'Universo, fondendosi con i cluster adiacenti come le città in crescita assorbono i sobborghi più vicini. Quando ciò accade vi è un enorme rilascio di energia e l'onda d'urto risultante è come uno tsunami ma fino ad ora non vi era alcuna prova che investisse direttamente le galassie stesse.

Stroe e Sobral hanno avuto l'opportunità di osservare una fusione tra galassie nel cluster CIZA J2242.8+5301, soprannominato "Sausage" (Salsiccia!), che si trova a 2,3 miliardi di anni luce di distanza in direzione della costellazione della Lucertola, nell'emisfero nord del cielo. Utilizzato i telescopi Isaac Newton e William Herschel dell'Osservatorio de La Palma ed i telescopi Subaru, CFHT e Keck alle Hawaii, hanno scoperto che l'onda d'urto è stata in grado di trasformare radicalmente le galassie, innescando nuovi processi di formazione stellare.

Stroe ha commentato: "Finora abbiamo ipotizzato che le galassie non venissero coinvolte in queste fasi, mentre ora scopriamo che hanno un ruolo in prima fila. Le galassie in coma nell'ammasso 'Salsiccia' stanno tornando alla vita, con le stelle che si formano ad un ritmo incredibile. Quando abbiamo visto questo, semplicemente non riuscivamo a credere a quello che stava accadendo".

Il nuovo lavoro implica che la fusione di ammassi di galassie ha un forte impatto sulla formazione delle stelle: "proprio come un cucchiaino che mescola del caffé, questi shock creano turbolenza nei gas galattici, da cui si innesca una sorta di collasso che porta alla formazione di fredde nubi di gas molto dense, vitali per la formazione di nuove stelle", ha detto Stroe.

Stroe ha aggiunto: "Questo processo porta alla formazione di molte stelle massicce di breve durata che esplodono come supernovae pochi milioni di anni più tardi. Le esplosioni spingono enormi quantità di gas fuori dalle galassie e, dato che la maggior parte viene consumato dai processi di formazione stellare, è facile capire come mai le galassie finiscono presto il loro carburante. Se si attende abbastanza a lungo, le fusioni a grappolo rendono le galassie ancora più rosse e morte, facendole entrare di nuovo in coma e con poche prospettive per una seconda resurrezione".

Fusione nel cluster Salsiccia CIZA J2242.8+5310

Immagine composita della fusione nel cluser "Salsiccia" CIZA J2242.8+5310, realizzata con i dati Subaru e Canada France Hawaii Telescopes (CFHT). cerchi bianchi indicano galassie al di fuori del cluster, mentre cerchi gialli sono galassie in cui sta avvenendo formazione stellare accelerata. Il verde indica le regioni di emissioni radio, in viola il gas caldo presente tra le galassie, che emette nei raggi X.
Credit: Andra Stroe

Ogni ammasso di galassie nell'Universo vicino ha sperimentato una serie di fusioni durante la sua vita, quindi tutti dovrebbero aver sperimentato un periodo di produzione stellare estremamente vigoroso. Dato che tali scosse portano solo ad un breve (in termini astronomici) aumento della formazione stellare, ci vuole molta fortuna per osservare un cluster nel momento giusto della sua evoluzione, quando le galassie sono ancora "illuminate" dallo shock.

Il passo successivo sarà verificare se "Salsiccia" è stato un caso unico, ovvero se queste esplosioni richiedono condizioni particolari. Studiando un campione molto più grande di galassie, il team spera di scoprire esattamente come accadono tali tsunami cosmici.

Press release:
- http://www.ras.org.uk/news-and-press/2619-giant-cosmic-tsunami-wakes-up-comatose-galaxies

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

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