Gli astronomi corrono per esplorare antiche galassie

Il telescopio Atacama Pathfinder Experiment guarda verso il cielo durante una luminosa notte di luna sull’altopiano di Chajnantor nella regione cilena di Atacama, uno dei siti di osservazione più alti e più aridi del mondo. Credito: ESO/Babak Tafreshi/Fornito

La sera di dicembre 12, 2021, gli astronomi della Cornell Gordon Stacey e Thomas Nikola erano pericolosamente a corto di tempo. Erano svegli da quasi 24 ore, con un’altra notte intera davanti a loro.

La pelle delle loro mani si era seccata e screpolata per aver vissuto per cinque settimane a un’altitudine vertiginosa nel deserto di Atacama in Cile. Ed erano a corto di personale, un equipaggio di due persone invece dei soliti quattro o cinque, nella sala di controllo del telescopio dell’Atacama Pathfinder Experiment (APEX).

Le restrizioni COVID-19, i ritardi di viaggio e il maltempo si erano allineati così loro, e un team di Cornell che lavorava a distanza da Itaca, avevano solo 12 ore in più per raccogliere dati dalle loro galassie bersaglio: luce che aveva impiegato 11,5 miliardi di anni per raggiungere la Terra.

“Guardiamo alla formazione stellare nel tempo cosmico”, ha detto Stacey, professore di astronomia al College of Arts and Sciences. “Questo è dietro tutto ciò che facciamo.”

Per oltre 30 anni, Stacey ha guidato gruppi di ricerca utilizzando telescopi in tutto il mondo per conoscere l’evoluzione stellare. Alcuni anni fa, ad esempio, Stacey ha confermato che alcune delle galassie di massima luminosità non si formano per collisioni, ma per accumulo di materiale dalla rete cosmica. Tali scoperte portano a più tempo sui telescopi e ulteriori scoperte. Stanotte stavano cercando di imparare ancora di più, ma la finestra di opportunità si stava chiudendo.

In una pausa tra le osservazioni, Stacey ha chattato su Zoom con il team di Ithaca. Trova il lavoro di osservazione abbastanza stimolante da tenerlo sveglio, ed è stato pronto ad andare per il resto della notte.

Ma Nikola, ricercatore associato al Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science e capo della logistica in questo viaggio, ha vagato nella sala di controllo per rimanere sveglio.

Passando da un monitor all’altro, ha controllato le condizioni meteorologiche e la modalità e i parametri di osservazione del telescopio. Controllare i numeri lo tiene vigile e, di tanto in tanto, gli consente di cogliere un errore che potrebbe fare la differenza tra fare una scoperta e raccogliere dati errati.

Dopo giorni di condizioni umide o nuvolose – anche una piccola quantità di umidità nell’atmosfera è dannosa per l’osservazione – il cielo sopra APEX era perfettamente limpido e molto secco. I membri del team hanno riportato la loro attenzione al cielo alla ricerca di due galassie che si sono formate solo due miliardi di anni dopo il Big Bang. Avrebbero rilevato la linea di emissione dal loro obiettivo prima che il loro tempo fosse scaduto?

Elementi abbondanti dal “mezzogiorno cosmico”

Stacey e i suoi colleghi studiano le emissioni provenienti dalle galassie nell’epoca nota come “mezzogiorno cosmico”, da 8 a 12 miliardi di anni fa, utilizzando ZEUS-2, uno spettrometro delle dimensioni e della forma di un fusto di petrolio e costruito su misura alla Cornell.

A caccia di dati: gli astronomi corrono per esplorare antiche galassie

ZEUS-2, uno spettrometro delle dimensioni e della forma di un fusto di petrolio e costruito su misura alla Cornell, viene sottoposto a un’ispezione prima di essere installato sul telescopio APEX in Cile. Credito: Thomas Nikola/Cornell University

“Osserviamo le linee sottili della struttura da atomi e ioni abbondanti di ossigeno, carbonio e azoto”, ha detto Stacey. “Questi sono il terzo, quarto e settimo elemento più abbondante nell’universo dopo l’elio e l’idrogeno, e ci dicono molto”.

Misurando quanto fossero abbondanti questi elementi di base nelle stelle nate relativamente presto dopo il Big Bang, il team impara come si formano le stelle nelle galassie, come si evolvono le galassie e come le stelle nate durante quel lontano “mezzogiorno cosmico” si confrontano con la nostra stella più giovane , il sole, che ha solo 4,6 miliardi di anni.

L’obiettivo del viaggio era installare ZEUS-2 al telescopio APEX e quindi misurare una linea spettrale di ossigeno doppiamente ionizzato (O++) da galassie lontane. O++, che formano i fotoni ultravioletti energetici, indica la presenza di stelle massicce calde e aiuta i ricercatori a tracciare sia come si sono formate le stelle che la creazione di ossigeno attraverso generazioni di stelle nelle galassie nell’universo primordiale.

Prima che la luce di 11 miliardi di anni potesse raggiungere ZEUS-2, tuttavia, ZEUS-2 doveva raggiungere l’APEX.

il telescopio si trova sopra i 16.700 piedi di altitudine, circa 2.200 piedi più in alto del Monte Whitney, il punto più alto degli Stati Uniti continentali; anche nel migliore dei casi, installare uno strumento lì è impegnativo. Quando Stacey e Nikola arrivarono al campo base APEX, a 8.000 piedi, a San Pedro de Atacama il 19 novembre. 16, hanno potuto lavorare solo poche ore per acclimatarsi all’ossigeno limitato. Hanno iniziato a lavorare al sito del telescopio il giorno successivo, installando ZEUS-2 su APEX.

Una volta che Nikola e Stacey hanno messo in funzione ZEUS-2 il 19 novembre. Il 29, i dottorandi Christopher Rooney, Catherine Ball e Bo Peng hanno lavorato instancabilmente per testare, calibrare e osservare con lo strumento. “Lunghi incontri Zoom con strumenti di collaborazione online ci hanno permesso di portare a termine questa corsa di osservazione ‘ibrida’ che altrimenti è supportata da un team di quattro o cinque persone al telescopio”, ha affermato Amit Vishwas, Ph.D., ricercatore associato, ex dottoranda ZEUS-2 e membro del team che lavora virtualmente da Itaca.

Cieli sereni e un regalo di tempo

La prima notte, dic. 1, era abbastanza asciutto per l’osservazione. “Abbiamo un po’ di scienza in tasca, circa quattro ore osservando due diverse fonti”, ha detto Stacey.

Ma all’APEX, solo un po’ di umidità nell’atmosfera è sufficiente per annebbiare le osservazioni.

La definizione di bel tempo osservativo, ha detto Rooney, che ha eseguito ZEUS-2 da Itaca durante le osservazioni, significa che se si somma tutta l’acqua nell’intera atmosfera, dal livello del suolo allo spazio, e poi la si usa per creare uno strato di acqua a terra, dovrebbe misurare meno di 1 millimetro di profondità. Il bel tempo è inferiore a mezzo millimetro.

Per il resto del loro tempo di osservazione ufficiale, fino a dicembre. 7, anche se i ricercatori in Cile hanno bevuto tre o più litri di acqua ogni giorno per mantenersi idratati, l’atmosfera è ostinatamente umida. Il team si è chiesto se il cielo sarebbe mai stato abbastanza sereno da consentire a ZEUS-2 di raccogliere più dati. Mentre aspettavano, Stacey e Nikola hanno condotto esercitazioni di osservazione con la squadra a Itaca. Hanno anche controllato e ricontrollato ZEUS-2, un esercizio utile, ha detto Stacey, ma che non porta nuovi dati.

Entro dicembre 7, il percorso di osservazione cominciava a sembrare un lavaggio. Dovevano essere fuori dal telescopio entro il giorno successivo per far posto al prossimo team di ricercatori, che era già arrivato al campo base.

Quella squadra era guidata dal co-autore occasionale di Stacey, Carlos De Breuck, scienziato del progetto presso l’Osservatorio europeo meridionale. Mentre De Breuck e il suo team chiacchieravano con gli astronomi della Cornell nella sala di controllo e nella mensa del campo base, si resero conto della terribile fortuna che Stacey e Nikola stavano avendo. De Breuck ha generosamente offerto loro un po’ del tempo della sua squadra sul telescopio, incluso uno cruciale la scorsa notte, il 12 dicembre 12-13.

“Sono rimasto sbalordito e molto contento”, ha detto Stacey. “E ‘stato buono da parte loro.” L’ora sarà restituita a De Breuck in un secondo momento.

A dicembre 12-13, con cieli sereni sopra Atacama e prestazioni impeccabili del telescopio e di ZEUS-2, il team ha puntato il telescopio verso i propri obiettivi: due galassie con grandi masse e alta luminosità. Stacey ha detto che queste galassie esistevano durante “l’epoca dell’assemblaggio delle galassie”, appena prima del periodo di picco della formazione stellare nell’universo.

Il team ha rilevato un’emissione di linea O++ inaspettatamente debole da entrambe le galassie, indicando che la formazione stellare sembra essere innescata da collisioni tra le due galassie, piuttosto che dall’accrescimento di gas dalla rete cosmica. Erano proprio questi i dati che erano venuti in Cile per raccogliere.

A caccia di dati: gli astronomi corrono per esplorare antiche galassie

Thomas Nikola, ricercatore associato al Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science del College of Arts and Sciences, ha installato un laser per misurare le caratteristiche di uno spettrometro nel laboratorio di Gordon Stacey, professore di astronomia, nello Space Sciences Building. Credito: Ryan Young/Cornell University

Gli ultimi giorni della loro ricerca APEX sono trascorsi in una confusione di intensa concentrazione e poco sonno. Il team di Itaca ha continuato a raccogliere dati anche quando il sole è sorto il 1 dicembre. 13 e Stacey e Nikola hanno percorso 90 minuti di auto su per la strada di montagna fino alla vetta per fare le valigie ZEUS-2.

“Non appena hanno eseguito l’ultima osservazione e calibrazione, abbiamo iniziato a smontare le cose”, ha detto Nikola.

Normalmente, ci vogliono dai cinque ai sette giorni per abbattere ZEUS-2. Questa volta avevano solo 36 ore.

Mentre si affrettavano a fare le valigie, Stacey ha ricevuto una chiamata dal direttore della stazione APEX: “Ho sentito che non avete dormito la notte scorsa”, ha detto.

Stacey si fermò per un secondo, pensando al viaggio su per la ripida strada di montagna dopo una notte insonne di osservazione, e confessò: “Sì”.

“Non è sicuro”, ha detto il manager. “Sto mandando qualcuno a darti un passaggio.”

Stacey rifletté per un microsecondo. “Grazie”, disse. Lui e Nikola avevano completato in sicurezza la fase critica di smontare ZEUS-2 dall’APEX e non aveva senso rischiare di addormentarsi durante il viaggio in discesa.

Con il supporto del personale dell’APEX, i ricercatori della Cornell hanno conservato il loro strumento presso l’APEX, completamente assemblato e avvolto per tenere fuori la sabbia fine e soffiata di Atacama, e hanno iniziato il loro lungo ritorno a Itaca.

ZEUS-2 non resterà inattivo a lungo. Gli astronomi hanno analizzato i loro dati da dicembre e hanno chiesto più tempo di osservazione su vari telescopi in tutto il mondo. Tra le altre osservazioni imminenti, il gruppo di Stacey tornerà all’APEX quest’estate.

“Questa corsa è stata un’avventura”, ha detto Stacey, “una delle corse di osservazione più difficili che abbiamo mai realizzato”.


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Fornito dalla Cornell University

Citazione: Inseguendo dati: gli astronomi corrono per esplorare antiche galassie (2022, 23 marzo) recuperati il ​​24 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-astronomers-explore-ancient-galaxies.html

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