Gli astronomi pensano che le stelle si formino all'interno di nuvole crollanti di idrogeno freddo. Queste nuvole sono molto difficili da vedere perché l'atmosfera terrestre assorbe gran parte della luce che irradia; tuttavia, è sempre presente anche un altro gas, il monossido di carbonio, che può essere facilmente osservato dalla Terra. Gli astronomi del Max Planck Institute for Radio Astronomy hanno sviluppato una mappa dettagliata di queste regioni di formazione stellare nella galassia di Andromeda.
Come si formano le stelle? Questa è una delle domande più importanti in astronomia. Sappiamo che la formazione stellare avviene nelle nuvole di gas freddo con temperature inferiori a -220 C (50 K). Solo in queste regioni di gas denso la gravitazione può portare a un collasso e quindi alla formazione di stelle. Le nuvole di gas freddo nelle galassie sono composte preferibilmente di idrogeno molecolare, H2 (due atomi di idrogeno legati come una molecola). Questa molecola emette una debole linea spettrale nella larghezza di banda infrarossa dello spettro che non può essere osservata dai telescopi terrestri perché l'atmosfera assorbe questa radiazione. Pertanto, gli astronomi studiano un'altra molecola che si trova sempre nelle vicinanze di H2, vale a dire monossido di carbonio, CO. L'intensa linea spettrale di CO alla lunghezza d'onda di 2,6 mm può essere osservata con radiotelescopi che sono posizionati in siti atmosfericamente favorevoli: alto e montagne asciutte, nel deserto o al Polo Sud. Nello spazio cosmico il monossido di carbonio è un indicatore di condizioni favorevoli alla formazione di nuove stelle e pianeti.
Nella nostra galassia, la Via Lattea, sono stati condotti studi sulla distribuzione del monossido di carbonio da molto tempo. Gli astronomi trovano abbastanza gas freddo per la formazione stellare durante milioni di anni a venire. Ma molte domande sono senza risposta; ad esempio, come questa materia prima di gas molecolare nasce in primo luogo. È fornito dalla fase iniziale di sviluppo della Galassia o può essere formato da gas atomico più caldo? Una nuvola molecolare può collassare spontaneamente o ha bisogno di un'azione dall'esterno per renderla instabile e collassare? Dal momento che il Sole si trova nel disco della Via Lattea, è molto difficile ottenere una panoramica dei processi che si svolgono nella nostra Galassia. Guardare da "fuori" sarebbe di aiuto, così come uno sguardo ai nostri vicini cosmici.
La galassia di Andromeda, conosciuta anche con il suo numero di catalogo M31, è un sistema di miliardi di stelle, simile alla nostra Via Lattea. La distanza di M31 è "solo" 2,5 milioni di anni luce, rendendola la galassia a spirale più vicina. La galassia si estende per circa 5 gradi nel cielo e può essere vista ad occhio nudo come una minuscola nuvola diffusa. Gli studi su questo vicino cosmico possono aiutare a comprendere i processi nella nostra Galassia. Sfortunatamente, stiamo vedendo il disco di gas e stelle in M31 quasi all'avanguardia (vedi Fig. 1, a destra).
Nel 1995 un team di radioastronomi all'Institut de Radioastronomie Millimétreque (IRAM) di Grenoble (Michel Guélín, Hans Ungerechts, Robert Lucas) e al Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn (Christoph Nieten, Nikolaus Neininger, Elly Berkhuijsen, Rainer Beck, Richard Wielebinski) hanno iniziato l'ambizioso progetto di mappare l'intera galassia di Andromeda nella linea spettrale del monossido di carbonio. Lo strumento utilizzato per questo progetto era il radiotelescopio di 30 metri dell'IRAM che si trova su Pico Veleta (2970 metri) vicino a Granada in Spagna. Con una risoluzione angolare di 23 secondi d'arco (alla frequenza di osservazione di 115 GHz = lunghezza d'onda di 2,6 mm) è stato necessario misurare 1,5 milioni di posizioni individuali. Per accelerare il processo di osservazione è stato utilizzato un nuovo metodo di misurazione. Piuttosto che osservare in ogni posizione, il radiotelescopio era guidato in strisce attraverso la galassia con una registrazione continua dei dati. Questo metodo di osservazione, chiamato "al volo", è stato sviluppato appositamente per il progetto M31; ora è una pratica standard, non solo al radiotelescopio Pico Veleta ma anche ad altri telescopi che osservano a lunghezze d'onda millimetriche.
Per ogni posizione osservata in M31 non è stato registrato solo un valore di intensità di CO, ma 256 valori contemporaneamente attraverso lo spettro con una larghezza di banda dello 0,2% della lunghezza d'onda centrale di 2,6 mm. Quindi il set completo di dati osservativi è composto da circa 400 milioni di numeri! L'esatta posizione della linea di CO nello spettro ci fornisce informazioni sulla velocità del gas freddo. Se il gas si sta muovendo verso di noi, la linea viene spostata su lunghezze d'onda più brevi. Quando la fonte si allontana da noi, vediamo un passaggio a lunghezze d'onda più lunghe. Questo è lo stesso effetto (l'effetto Doppler) che possiamo sentire quando la sirena di un'ambulanza si muove verso di noi o lontano da noi. In astronomia l'effetto Doppler consente di studiare i movimenti delle nuvole di gas; si possono distinguere anche nuvole con velocità diverse viste nella stessa linea di vista. Se la linea spettrale è ampia, la nuvola potrebbe espandersi oppure è costituita da più nuvole a velocità diverse.
Le osservazioni sono terminate nel 2001. Con oltre 800 ore di telescopio, questo è uno dei più grandi progetti di osservazione realizzati con i telescopi di IRAM o MPIfR. Dopo un'elaborazione e un'analisi approfondite delle enormi quantità di dati, la distribuzione completa del gas freddo nell'M31 è stata appena pubblicata (vedi Fig. 1, a sinistra).
Il gas freddo in M31 è concentrato in strutture molto filigrane nei bracci a spirale. La linea di CO sembra adatta per tracciare la struttura del braccio a spirale. I distintivi bracci a spirale sono visti a distanze tra 25.000 e 40.000 anni luce dal centro di Andromeda, dove si verifica la maggior parte della formazione stellare. Nelle regioni centrali, dove si trova la maggior parte delle stelle più vecchie, le armi al CO sono molto più deboli. Come risultato dell'alta inclinazione di M31 rispetto alla linea di vista (circa 78 gradi) i bracci a spirale sembrano formare un grande anello ellittico con un asse maggiore di 2 gradi. In effetti, per molto tempo Andromeda è stata erroneamente considerata una galassia ad "anello".
La mappa delle velocità del gas (vedi Fig. 2) ricorda uno scatto di una gigantesca ruota di fuoco. Da un lato (a sud, a sinistra) il gas CO si muove con circa 500 km / secondo verso di noi (blu), ma dall'altro lato (nord, destra) con "solo" 100 km / secondo (rosso). Poiché la galassia di Andromeda si sta muovendo verso di noi con una velocità di circa 300 km / secondo, passerà da vicino la Via Lattea in circa 2 miliardi di anni. Inoltre, M31 sta ruotando di circa 200 km / secondo attorno al suo asse centrale. Poiché le nuvole di CO interne si muovono su un percorso più breve rispetto alle nuvole esterne, possono superarsi a vicenda. Questo porta a una struttura a spirale.
La densità del gas molecolare freddo nei bracci a spirale è molto più grande che nelle regioni tra i bracci, mentre il gas atomico è distribuito in modo più uniforme. Ciò suggerisce che il gas molecolare si forma dal gas atomico nei bracci a spirale, specialmente nello stretto anello di formazione stellare. L'origine di questo anello non è ancora chiara. Potrebbe essere che il gas in questo anello sia solo materiale non ancora utilizzato per le stelle. O forse il campo magnetico molto regolare in M31 innesca la formazione stellare nei bracci a spirale. Le osservazioni con il telescopio Effelsberg hanno mostrato che il campo magnetico segue da vicino i bracci a spirale visti in CO.
L'anello di formazione stellare ("zona di nascita") nella nostra Via Lattea, che si estende da 10.000 a 20.000 anni luce dal centro, è più piccolo che in M31. Nonostante ciò, contiene circa 10 volte più gas molecolare (vedi tabella in Appendice). Poiché tutte le galassie hanno circa la stessa età, la Via Lattea è stata più economica con la sua materia prima. D'altra parte, le molte vecchie stelle vicino al centro di M31 indicano che in passato il tasso di formazione stellare era molto più alto di quello attuale: qui la maggior parte del gas è già stata elaborata. La nuova mappa CO ci mostra che Andromeda è stata molto efficace nel formare stelle in passato. Tra qualche miliardo di anni la nostra Via Lattea potrebbe sembrare simile ad Andromeda ora.
Fonte originale: comunicato stampa del Max Planck Institute
