Come i fili invisibili della Rete Cosmica plasmano le galassie

Una simulazione al computer di come appaiono il gas e le stelle in un ammasso di galassie, evidenziando come gli ammassi di galassie siano inseriti in una rete cosmica di filamenti. Nelle immagini a colori, l'intensità e il colore dell'immagine rappresentano la densità e la temperatura del gas. Queste figure mostrano zoom successivi su una galassia inserita in un filamento. Muovendosi in senso antiorario a partire dall'alto a destra, le barre di scala rappresentano lunghezze di 3,3 milioni di anni luce, 3,3 milioni di anni luce, 330.000 anni luce, 33.000 anni luce. L'immagine in basso a destra mostra le stelle nelle galassie in questo ammasso simulato, con la barra di scala corrispondente a 330.000 anni luce. Il programma WISESize utilizzerà le osservazioni per misurare la distribuzione spaziale di gas e stelle nelle galassie mentre si muovono attraverso la rete cosmica che permea l'universo vicino. Credito: Yannick Bahé

Il team del professor Gregory Rudnick presso l'Università del Kansas sta studiando l'evoluzione delle galassie e i loro processi di formazione stellare, finanziato da un significativo contributo NSF. Lo studio esplora l'impatto di diversi ambienti cosmici sulle galassie, coinvolgendo studenti nella ricerca e programmi di educazione delle scuole superiori.

I ricercatori presso l'Università del Kansas sperano di comprendere meglio i meccanismi intricati dietro l'evoluzione delle galassie, che viaggiano attraverso una "rete cosmica" di diversi ambienti durante la loro vita.

Gregory Rudnick, professore di fisica e astronomia presso la KU, sta guidando un team che ha recentemente ottenuto una sovvenzione di $375.000 dalla National Science Foundation per studiare "il contenuto di gas e le proprietà di formazione stellare delle galassie" che vengono alterati a seconda di dove si muovono attraverso il cosmo.

"L'obiettivo principale di questo progetto è comprendere l'impatto dei fattori ambientali sulla trasformazione delle galassie", ha detto Rudnick. "Nell'universo, le galassie sono distribuite in una distribuzione non uniforme caratterizzata da densità variabili. Queste galassie si aggregano in grandi gruppi, composti da centinaia a migliaia di galassie, così come in gruppi più piccoli, composti da decine a centinaia di galassie".

Inoltre, le galassie possono far parte di struttura filamentose allungate o possono risiedere in uno stato isolato nelle regioni meno dense dell'universo, ha detto.

Gli sforzi precedenti si sono concentrati principalmente sul confronto tra galassie negli ammassi e nei gruppi rispetto a quelle nelle regioni meno dense dell'universo, chiamate "campo". Questi studi hanno trascurato l'autostrada di filamenti che collegano le regioni più dense. Il team di Rudnick considererà l'intero intervallo dinamico di densità nell'universo concentrandosi su come le galassie reagiscono all'ambiente nei filamenti che le indirizzano verso gruppi galattici e ammassi di galassie, alterando l'evoluzione delle galassie lungo il percorso.

"Le galassie seguono un percorso in questi filamenti, vivendo per la prima volta un ambiente denso prima di progredire verso gruppi e ammassi", ha detto Rudnick. "Studiare le galassie nei filamenti ci permette di esaminare gli incontri iniziali delle galassie con ambienti densi. La maggior parte delle galassie che entrano nei 'centri urbani' degli ammassi lo fanno lungo queste 'superstrade', con un numero minimo che prendono strade rurali che li portano negli ammassi e nei gruppi senza interagire molto con l'ambiente circostante. Mentre i filamenti sono simili alle autostrade, queste strade meno percorse verso regioni dense sono simili all'analogia di guidare su strade rurali nel Kansas per accedere ai limiti della città. Le galassie possono esistere nei filamenti o essere in gruppi che risiedono in filamenti come perle su un filo. Infatti, la maggior parte delle galassie nell'universo esiste all'interno dei gruppi. Pertanto, con il nostro studio acquisiremo contemporaneamente conoscenze sia sull'inizio degli effetti ambientali sulle galassie che su come si comportano le galassie nelle regioni dove vengono comunemente trovate, filamenti e gruppi".

Un focus chiave dello studio sarà come le condizioni all'interno di questi filamenti, campi, gruppi e ammassi di galassie alterino il "ciclo dei barioni" dei gas all'interno e intorno alle galassie. Ogni vicinato cosmico cambia il modo in cui il gas si comporta all'interno e intorno alle galassie e può addirittura influenzare il gas molecolare più denso da cui si formano le stelle. Le interruzioni di questo ciclo dei barioni possono quindi favorire o ostacolare la produzione di nuove stelle. Di recente, un rapporto federale della comunità astronomica per stabilire obiettivi di ricerca astronomica per gli anni 2020 - l'indagine decennale Astro2020 - ha definito la comprensione del ciclo dei barioni come un argomento chiave per la prossima decade.

“The space between galaxies contains gas. Indeed, most of the atoms in the universe are in this gas, and that gas can accrete onto the galaxies,” Rudnick said. “This intergalactic gas undergoes a transformation into stars, although the efficiency of this process is relatively low, with only a small percentage contributing to star formation. The majority is expelled in the form of large winds. Some of these winds exit into space, termed outflows, while others are recycled and return.

“This continuous cycle of accretion, recycling and outflows is referred to as the baryon cycle. Galaxies can be conceptualized as baryon processing engines, drawing gas from the intergalactic medium and converting some of it into stars. Stars, in turn, go supernova, producing heavier elements. Part of the gas is blown out into space, forming a galactic fountain that eventually falls back to the galaxy.”

However, Rudnick said when galaxies encounter a dense environment, they can experience a pressure caused by their passage through the surrounding gas and this pressure can in turn disrupt the baryon cycle either by actively removing gas from the galaxy or by depriving the galaxy of its future gas supply. Indeed, in the centers of clusters, galaxies can find their star-making power quenched as their gas supply is removed.

“The disruption affects the intake and expulsion of gas by galaxies, leading to alterations in their star formation processes,” he said. “While there may be a temporary increase in star formation, in nearly all cases, it eventually results in a decline in star formation.”

Rudnick’s collaborators at KU will include graduate students like Kim Conger, whose work helped shape the grant proposal, along with undergraduate researchers. His co-primary investigator Rose Finn, professor of physics and astronomy at Siena College, will also employ and train students.

The researchers will use astronomical datasets like DESI Legacy Survey, WISE, and GALEX imaging of around 14,000 galaxies. Additional new observations will be carried out by personnel at both campuses using Siena’s 0.7-m Planewave telescope to obtain new imaging of galaxies equipped with a custom filter to be purchased via the grant. KU students will be able to observe remotely with the Siena telescope, as they have already through a joint Observational Astronomy course in 2021 and 2023.

The work also will include high school students in both Kansas and New Jersey as the grant extends a program Rudnick began years ago to bring university-level astronomy coursework into secondary schools. The new grant founds a high school astronomy class affiliated with Siena College and extends the course already offered at Lawrence High School close to KU’s Lawrence campus. Rudnick’s work on this class earned him a Community Engaged Scholarship Award from KU in 2020.

“These funds will extend the high school program’s longevity through 2026,” Rudnick said. “In collaboration with funds from KU, we were able to purchase 11 MacBook Pros for the school. Given that students only have iPads, which aren’t suitable for the research activities they needed to undertake, this grant facilitated the acquisition of computers that will enable their research.”

The project now has a dedicated laptop cart for the class, enabling students to carry out their research projects, he said, and the influx of computers has allowed organizers to expand the class size.

“Previously, class sizes at the high school level were around 8 to 10 students,” Rudnick said. “Now, at the start of the year, we have 22 students. It’s a significant growth, aiming to double the class size.”