La zona del Campo Ultra-profondo di Hubble (Hubble Ultra Deep Field), un regione piccolissima ma molto studiata nella costellazione della Fornace, osservata dallo strumento MUSE installato sul VLT dell'ESO. La figura dà solo un'idea parziale della ricchezza dei dati MUSE, che forniscono anche un spettro per ogni pixel. Questo insieme di dati ha permesso agli astronomi non solo di misurare la distanza di un numero molto maggiore di galassie che in precedenza – per un totale di 1600 – ma anche di trovarne di nuove. Sono state infatti inaspettatamente trovate 72 galassie che erano sfuggite alle immagini profonde del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA. Crediti: ESO/MUSE HUDF collaboration

È stata portata a termine la più profonda survey spettroscopica di sempre con lo strumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) installato sul VLT dell’ESO in Cile. Gli astronomi si sono focalizzati sul Campo Ultra-profondo di Hubble, misurando distanze e proprietà di 1600 galassie molto deboli, trovando tra l’altro 72 nuove galassie che non erano mai state viste prima, neppure dal telescopio Hubble.

Questa base dati rivoluzionaria ha già portato a 10 articoli scientifici pubblicati in un numero speciale di Astronomy & Astrophysics. Una tale abbondanza di informazioni permette ora agli astronomi di dare uno sguardo nuovo alla formazione stellare nell’Universo primordiale, consentendo di studiare i moti e altre proprietà delle prime galassie, grazie alle capacità spettroscopiche uniche di MUSE.

Il gruppo che si occupa della survey dell’Hubble Ultra Deep Field (il Campo Ultra-profondo di Hubble o HUDF), sotto la guida di Roland Bacon dell’Università di Lione (CRAL, CNRS) Francia, ha usato MUSE per osservare appunto il Campo Ultra-Profondo di Hubble (heic0406), una zona molto studiata nella costellazione australe della Fornace. Lo sforzo ha prodotto le osservazioni spettroscopiche più profonde mai realizzate finora: sono state misurate informazioni spettroscopiche accurate per 1600 galassie, dieci volte più di quanto fosse stato ottenuto a gran fatica nel precedente decennio da vari telescopi da terra.

In questa immagine il Campo Ultra-profondo di Hubble 2012, una versione aggiornata del Campo Ultra-profondo di Hubble con un maggior tempo di osservazione. I nuovi dati hanno mostrato per la prima volta una popolazione di galassie lontane a redshift tra 9 e 12, tra cui l'oggetto più lontano osservato finora. Queste galassie richiedono conferma spettroscopica che arriverà grazie al prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA. Crediti: NASA, ESA, R. Ellis (Caltech), and the HUDF 2012 Team

Le immagini originali dell’HUDF erano osservazioni pionierstiche realizzate dal telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA e pubblicate nel 2004: sono le osservazioni più profonde di sempre e hanno rivelato uno zoo di galassie che risalgono a meno di miliardo di anni dopo il Big Bang. L’area è stata successivamente osservata molte volte da Hubble e da altri telescopi – si tratta di una delle zone più studiate del cielo, ben 13 strumenti montati su otto telescopi, tra cui ALMA, l’hanno osservata dai raggi X alle onde radio – producendo la veduta più profonda dell’Universo fino a oggi.

Roland Bacon continua il racconto: «MUSE può fare qualcosa che Hubble non può fare: suddivide la luce di ogni punto dell’immagine nei suoi colori componenti per creare uno spettro. Questo ci permette di misurare la distanza, il colore e altre proprietà di tutte le galassie che possiamo vedere, tra cui alcune invisibili anche a Hubble».

I dati di MUSE forniscono una nuova visione di galassie fioche e molto distanti, osservate com’erano poco dopo l’inizio dell’Universo, circa 13 miliardi di anni fa. Hanno rivelato galassie 100 volte più deboli che nelle survey precedenti, aggiungendole a un campo già riccamente osservato e approfondendo la nostra comprensione delle galassie nelle epoche cosmiche. E nonostante la profondità delle precedenti osservazioni di Hubble, MUSE ha – tra gli altri numerosi risultati – rivelato anche 72 galassie che non erano mai state viste prima in questa minuscola area di cielo.

Le 72 candidate galassie sono emettitrici di Lyman-alfa, la cui luce cioè è concentrata nella riga Lyman-alfa, prodotta quando gli elettroni dell’atomo di idrogeno cadono dal penultimo livello al più basso. Questa luce ha una lunghezza d’onda particolare nella zona ultravioletta dello spettro, ma nel caso di oggetti spostati molto verso il rosso (redshift) viene a trovarsi nella banda della luce visibile o nel vicino infrarosso, che gli astronomi possono  quindi più facilmente rilevare con i telescopi spaziali o da terra.

La nostra comprensione attuale della formazione stellare non spiega pienamente queste galassie, che sembrano brillare luminosamente in questo singolo colore. Ma grazie alla peculiarità di MUSE, disperde la luce nei suoi colori componenti, questi oggetti diventano subito evidenti, mentre sono invisibili nelle immagini dirette profonde come quelle di Hubble.

«MUSE ha la capacità unica di estrarre informazioni su alcune delle più vecchie galassie dell’Universo – anche in una zona del cielo che è già ampiamente studiata», spiega Jarle Brinchmann, dall’Università di Leida nei Paesi Bassi e dell’Istituto di Astrofisica e Scienze Spaziali al CAUP a Porto, Portogallo e primo autore di uno degli articoli che descrive i risultati di questa survey. «Impariamo cose su queste galassie che è possibile capire solo con la spettroscopia, come il contenuto chimico e i moti interni – e non una galassia per volta ma tutto in una volta sola per tutte le galassie!».


Questa sequenza mostra la regione del Campo Ultra-profondo di Hubble in cui sono evidenziati con un colore blu gli aloni di gas che risplendono intorno a molte galassie distanti, scoperti con lo strumento MUSE installato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO in Cile. La scoperta di così tanti aloni estesi, che emettono radiazione ultravioletta nella riga Lyman-alfa, intorno a molte galassie distanti è uno dei tanti risultati ottenuti da questa survey spettroscopica molto profonda. Crediti: ESO/MUSE HUDF team

Un altro risultato importante di questo studio è stato la detezione sistematica di aloni luminosi di idrogeno intorno alle galassie dell’Universo primordiale, che ha fornito agli astronomi una nuova e promettente strada per studiare il modo in cui la materia fluisce dentro e fuori le galassie primordiali.

Molte altre potenziali applicazioni di questo insieme di dati, tra cui il ruolo delle galassie deboli durante la re-ionizzazione cosmica, il tasso di fusione tra galassie quando l’Universo era giovane, i venti galattici, la formazione stellare e la mappatura del moto delle stelle nell’Universo primordiale, vengono esplorate nella serie di articoli pubblicata.

«È giusto sottolineare che questi dati sono stati presi senza l’uso dell’ottica adattiva (AOF da Adaptive Optics Facility), recentemente aggiuta a MUSE. L’attivazione dell’AOF dopo un decennio di lavoro intenso di astronomi e ingegneri dell’ESO promette dati ancora più rivoluzionari in futuro,» conclude Roland Bacon.

Ad esempio ha già rivelato anelli prima sconosciuti intorno alla nebulosa planetaria IC 4406… e noi siamo qui ad aspettare le prossime straordinarie scoperte!

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