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Il mezzo interstellare (ISM) è di vitale importanza per la formazione e l’evoluzione delle galassie poiché rappresenta l’ambiente in cui (e da cui) si formano le stelle. Le osservazioni a più lunghezze d’onda delle galassie vicine consentono uno studio dettagliato dell’ISM, costituito principalmente da idrogeno in diverse fasi (dal gas ionizzato e caldo a quello molecolare), polvere, raggi cosmici e campi magnetici. L’IRA si occupa di studi sui componenti di polveri e gas, nonché sull’emissione termica e non termica attraverso il continuo radio, sfruttando le più potenti infrastrutture osservative radio alle diverse frequenze attualmente disponibili, come ALMA, JVLA e LOFAR.

Staff:   V. Casasola, R. Paladino

Collaboratori: D. Belfiori, V. Tailor

 

 

 

 

 

Mezzo interstellare e formazione stellare

La formazione stellare avviene all’interno di nubi molecolari nell’ISM quando regioni dense collassano per formare stelle. I processi fisici che portano a questo collasso possono essere studiati in dettaglio nelle singole regioni di formazione stellare della Via Lattea, mentre misurazioni integrate come il tasso di formazione stellare (SFR) estendono lo studio alle galassie più lontane. Le galassie vicine offrono l’opportunità di studiare la formazione stellare su larga scala, pur essendo abbastanza vicine da rivelare i dettagli locali, grazie alla combinazione senza precedenti di sensibilità e risoluzione offerta dalle attuali infrastrutture osservative. Le osservazioni a più lunghezze d’onda delle galassie vicine ci consentono di tracciare le diverse fasi dell’ISM e sono essenziali per calibrare gli indicatori di SFR utilizzati negli studi ad alto redshift. Questa caratterizzazione dettagliata dell’ISM è possibile per le galassie vicine che differiscono per morfologia (galassie ellittiche, a spirale e nane) e altre proprietà galattiche (ad esempio metallicità del gas, AGN), fornendo preziosi vincoli per i modelli teorici di evoluzione delle galassie. All’IRA gli astronomi sono coinvolti nello studio delle componenti di polvere e gas, nonché delle emissioni termiche e non termiche nel continuo radio.

 

Campi magnetici nelle galassie

I campi magnetici svolgono un ruolo importante nell’ISM delle galassie a spirale: contribuiscono alla pressione totale, influenzano i processi di formazione stellare su tutte le scale e possono anche agire sulla formazione dei bracci a spirale e di flussi di gas verso l’esterno. Sono stati tipicamente osservati attraverso l’emissione di sincrotrone in intensità totale e in polarizzazione. Questa emissione è generalmente associata ad abbondanti processi di formazione stellare: le stelle massicce terminano la loro vita in esplosioni di supernovae, accelerando elettroni ultra-relativistici che si muovono a spirale nel campo magnetico. Una nuova prospettiva sullo studio dei campi magnetici nelle galassie vicine è ora offerta dalla combinazione senza precedenti di alta risoluzione e sensibilità offerta da ALMA in modalità di polarizzazione completa. Ciò consente di mappare la struttura dei campi magnetici interstellari nel gas freddo delle galassie vicine attraverso l’osservazione della polarizzazione della radiazione continua emessa dalle polveri in gigantesche nubi molecolari. Questo è fondamentale per capire come i campi magnetici influenzino la dinamica dei gas e in particolare il loro ruolo nella regolazione della formazione stellare, nella guida dei flussi galattici e nell’alimentazione dei nuclei galattici. Entrambi i traccianti sono studiati all’IRA sfruttando le infrastrutture osservative radio a lunghezze d’onda centimetriche (JVLA, GMRT e LOFAR) e millimetriche (ALMA).

 

Effetti ambientali sulla formazione stellare e l’evoluzione delle galassie

Le interazioni gravitazionali tra galassie ne influenzano il gas, dando origine a flussi asimmetrici, compressione, turbolenza, perdita e deflussi, che possono modificare la struttura delle galassie stesse e i loro processi di formazione stellare. Lo studio a più lunghezze d’onda di gruppi compatti vicini è essenziale per mettere in relazione i disturbi morfologici e cinematici osservati nei membri del gruppo, e la loro attività di formazione stellare (e la relativa storia) con la storia evolutiva dei gruppi. Le osservazioni radio a bassa frequenza consentono di studiare la popolazione di elettroni relativistici di bassa energia, tracciando le strutture radioemittenti non termiche in regioni lontane dalle aree di rifornimento di particelle relativistiche, come negli aloni o nelle code mareali. Il coinvolgimento dei ricercatori dell’IRA in LOFAR dà accesso a nuovi dati a bassa frequenza per i gruppi compatti di galassie. Le galassie in ambienti più densi sono influenzate dalla perdita di gas dal disco a causa della pressione prodotta dall’interazione tra il mezzo interstellare interno alla galassia e il mezzo intergalattico (“ram pressure stripping”, RPS). Studi sul gas neutro hanno dimostrato l’efficienza del meccanismo RPS negli ammassi di galassie, ma come metodi complementari vengono utilizzati anche traccianti di altre fasi gassose (ad esempio, emissione ottica nella riga H_α e raggi X) e persino di stelle giovani (emissione UV, luce blu). All’IRA, molto interesse è dato alla presenza di gas molecolare nelle code RPS, recentemente osservata grazie all’elevata sensibilità raggiungibile con ALMA, ma anche alla possibile emissione delle code nel continuo radio.

 

Crediti
Figura A: emissione ottica: Sloan Digital Sky Survey. Luminosità integrata del CO: Helfer et al. 2003, ApJ S. 145, 259, “The BIMA Survey of Nearby Galaxies (BIMA SONG). II. The CO Data”, Figura 53, DOI: 10.1086/346076. Continuo radio a 1.4 GHz: Paladino et al. 2006, A&A 456,847, “Thermal and non-thermal components of the interstellar medium at sub-kiloparsec scales in galaxies”, Figura 2f, DOI: 10.1051/0004-6361:20065002
Figura B: Casasola et al. 2020, A&A 633, A100, “The ISM scaling relations in DustPedia late-type galaxies: A benchmark study for the Local Universe”, Figura 13. DOI: 10.1051/0004-6361/201936665
Figura C: cortesia D. Mulcahy and LOFAR MKSP