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The birth cry of a massive star-forming clump in the distant Universe

Discovery of a giant region of star formation 3 billion years after Big Bang
The image, obtained with the wide-field camera WFC3 onboard the HST, shows a clump of young stars observed very close in time to their birth.

Authors

Zanella A. (CEA, Saclay), Daddi E. (CEA, Saclay), Le Floc’h E. (CEA, Saclay), Bournaud F. (CEA, Saclay), Gobat R. (CEA, Saclay; Korea Institute for Advanced Study), Valentino F. (CEA, Saclay), Strazzullo V. (CEA/Saclay; Ludwig-Maximilians-Universität Munich), Cibinel A. (CEA, Saclay; University of Sussex), Onodera M. (ETH, Zurich), Perret V. (LAM, Marseille), Renaud F. (CEA, Saclay; University of Surrey), Vignali C. (Università di Bologna; INAF, Osservatorio Astronomico di Bologna)

Published on May 7, 2015, in Nature, Vol. 521, p. 5

Abstract

As part of an observing program carried out with the Hubble Space Telescope, a group of researchers from the “Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM” of CEA-IRFU led by Anita Zanella, in collaboration with international research institutes including the University of Bologna, discovered the birth cry of a massive star-forming clump in the disk of a z=2 galaxy.

This giant clump (with a gas mass of about one billion times that of the Sun) is less than 10 million years old, and it is the very first time that such a young star-forming region is observed in the distant Universe. This discovery sheds new light on how stars were born within distant galaxies.

The physical properties of this object reveal that newly-born clumps in such galaxies survive from stellar winds and supernovae feedback, and can thus live for a few hundred million years unlike the predictions from several theoretical models.

Their long lifetime could enable their migration toward the inner regions of the galaxy, hence contributing to the total mass of the galactic bulge and the growth of the central black hole. Less than 10 million years old, this clump has not yet evolved enough for its stars to be directly detected.

Therefore, it is thanks to the radiation from the gas ionized by these young stars that it was revealed. Deep X-ray observations carried out with the Chandra telescope by Cristian Vignali, associate professor at the Physics and
Astronomy Department of the University of Bologna, have allowed to exclude the possibility that the gas is ionized by the presence of an active super-massive black hole at the centre of the galaxy.

  • Link to the scientific paper: http://www.nature.com/nature/journal/v521/n7550/full/nature14409.html
  • Link to UNIBO Magazine press release: http://www.magazine.unibo.it/archivio/2015/05/07/un-super-ammasso-di-stellesorrpeso-sul-nascere-nelluniverso-lontano
  • Link to Repubblica: http://bologna.repubblica.it/cronaca/2015/05/07/news/gli_astronomi_dell_alma_mater_sorprendono_un_super-ammasso_di_stelle_sul_nascere-113753174/

Image

The image, obtained with the wide-field camera WFC3 onboard the Hubble Space Telescope (HST), shows a clump of young stars (age less than 10 Myr), observed very close in time to their birth. The galaxy has a cosmological redshift of z=2,
corresponding to a look-back time of about 11 billion years.

The total gas mass in this stellar clump is of the order of one billion times the mass of the Sun, concentrated in a region of about 3000 light years. The observation in the figure traces the ionized component of oxygen via the [OIII] emission line; this
component is located a few kpc away from the galaxy center (black cross).

Il primo vagito di un ammasso di stelle nell’Universo lontano

Scoperta di un enorme complesso di stelle giovani in una galassia primordiale

Un enorme complesso di stelle giovanissime, con età inferiore a 10 milioni di
anni, in una galassia primordiale. La ricerca, pubblicata su Nature, è la prima
scoperta di una regione di formazione stellare così giovane, nata 3 miliardi di anni
dopo il Big Bang. A realizzarla è stato un team di ricercatori dell’istituto francese
Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM del CEA–IRFU guidato da Anita Zanella,
in collaborazione con ricercatori di importanti centri di ricerca internazionali tra
cui l’Università di Bologna.

Utilizzando i dati del telescopio spaziale Hubble – la debole luminosità delle
galassie lontane richiede l’uso di mezzi di osservazione potenti – i ricercatori sono
riusciti a scoprire le tracce di un ammasso gigante costituito da stelle molto
giovani. Fino ad oggi non si era mai riusciti ad osservare ammassi così giovani
con queste caratteristiche e si pensava non sopravvivessero. Il risultato fa luce
sulle modalità con cui le stelle si formano nelle galassie lontane e dimostra che gli
ammassi di stelle appena formati in tali galassie possono sopravvivere all’azione
distruttrice dei venti stellari e delle supernovae, contrariamente alle predizioni di
alcuni modelli teorici.

Durante la loro storia evolutiva, questi ammassi di stelle potranno migrare verso le regioni più interne della galassia e contribuire alla massa totale del nucleo della galassia e alla crescita del buco nero centrale.

Con un’età di meno di 10 milioni di anni, l’ammasso studiato non ha ancora avuto
il tempo di evolvere a sufficienza affinché le sue stelle fossero direttamente
osservabili.

È quindi a partire dall’illuminazione del gas ionizzato da parte di
queste giovani stelle che la loro presenza è stata rivelata. L’associazione
dell’emissione da gas ionizzato con il complesso di stelle giovani (in figura) è
stata possibile anche grazie all’esclusione di processi alternativi, come i buchi neri
presenti in tutte le galassie, i quali avrebbero potuto spiegare l’emissione.

Sono state le osservazioni profonde condotte in banda X con il satellite spaziale
Chandra, analizzate da Cristian Vignali, professore del Dipartimento di Fisica e
Astronomia dell’Università di Bologna e INAF-Osservatorio Astronomico di
Bologna, che hanno permesso di escludere che fosse un buco nero in fase attiva il
responsabile dell’emissione.

La prossima sfida consisterà nell’aumentare il numero di ammassi osservati e
caratterizzare in modo appropriato il ruolo di questi super-ammassi nell’evoluzione delle galassie. Questo richiederà una determinazione ancora più precisa delle loro proprietà fisiche, come le loro dimensioni e la massa dinamica.

Per proseguire lo studio i ricercatori impiegheranno mezzi osservativi come la rete
di antenne ALMA (Atacama Large Millimeter Array) collocata nel Nord del Cile,
così come il telescopio spaziale James Webb Space Telescope (JWST), il cui lancio
è previsto per la fine del 2018.

Immagine

  • Super-ammasso
  • Nucleo della galassia
  • [OIII]

L’immagine in figura, ottenuta con la fotocamera a grande capo WFC3 a bordo del
telescopio spaziale Hubble, mostra un complesso di stelle molto giovani (con
un’età di 10 milioni di anni), osservate al momento stesso della formazione, in una
galassia situata ad una distanza di 11 miliardi di anni luce dalla Terra.

La massa totale di gas in questo ammasso di stelle è dell’ordine di un miliardo di volte la massa del Sole, concentrata in una regione di circa 3000 anni luce.

L’osservazione in figura traccia la componente ionizzata dell’ossigeno ([OIII]), che si trova a qualche migliaia di anni luce dal nucleo della galassia (indicato dalla croce nera). (Proprietà CEA/HST).