How large can galaxies be? Ultra-deep imaging of IC 1101, the most extended known galaxy

Immaginate l'universo come un gigantesco cantiere cosmico, dove la gravità è il capocantiere che attira costantemente polvere e gas per costruire stelle e galassie. Per molto tempo, gli astronomi hanno saputo che queste città galattiche presentano forme e dimensioni tutte diverse. Alcune sono piccole e solitarie galassie "nane", appena abbastanza grandi da contenere qualche migliaio di stelle — pensatele come baracche cosmiche. All'altro estremo dello spettro, ci sono le massicce "galassie ellittiche giganti", che sono come metropoli sconfinate contenenti trilioni di stelle. Ma ecco il grande mistero: esiste un limite a quanto può diventare grande una galassia? Proprio come una città non può espandersi all'infinito senza esaurire spazio o risorse, esiste un "limite dimensionale" cosmico oltre il quale una galassia smette di crescere? Per rispondere a questo, gli scienziati osservano le galassie più grandi, antiche e massicce dell'universo. Questi giganti, spesso situati proprio al centro di enormi ammassi di galassie, si sono nutriti dei loro vicini più piccoli per miliardi di anni in un processo chiamato "cannibalismo galattico". Misurando il limite assoluto di questi giganti, possiamo apprendere quanto materiale l'universo possa compattare in una singola galassia prima che smetta di crescere.

Entra in scena IC 1101, l'indiscutibile campione del peso massimo del mondo galattico. Si trova al centro di un massiccio ammasso di galassie chiamato Abell 2029, ed è noto da tempo di essere enorme. Tuttavia, le immagini precedenti di essa erano come cercare di vedere il bordo di una città nebbiosa di notte; si poteva vedere il luminoso centro cittadino, ma le deboli e distanti periferie erano nascoste dal bagliore dei lampioni e dalla nebbia stessa. In questo nuovo studio, un team internazionale di astronomi, con lo studio guidato da Carlos Marrero-de la Rosa, ha deciso di realizzare l'immagine più profonda e nitida di IC 1101 mai tentata. Hanno utilizzato un potente telescopio nelle Isole Canarie per scrutare le periferie più deboli e distanti della galassia, accendendo efficacemente i riflettori cosmici per vedere fin dove arrivano realmente le stelle della galassia.

La prima sfida del team è stata gestire la "luce diffusa". Immaginate di cercare di scattare una foto a una lucciola in una foresta, ma con un enorme e luminoso riflettore acceso nelle vicinanze. La luce del riflettore rimbalza sulla lente della fotocamera e crea un bagliore sfocato che rende impossibile vedere la lucciola. In astronomia, le stelle brillanti e il nucleo della galassia stessa creano questo stesso tipo di bagliore, nascondendo i bordi deboli e sottili della galassia. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno costruito un modello super preciso di come la luce si diffonde da una sorgente puntiforme (chiamata Funzione di Diffusione del Punto, o PSF). Hanno utilizzato un mix intelligente di stelle brillanti e deboli per mappare esattamente come si comporta questo "bagliore", dal centro della stella fino ai bordi dell'immagine. Una volta ottenuta questa mappa, hanno utilizzato tecniche informatiche avanzate — come un cancellatore digitale che sa esattamente dove si trova il bagore — per sottrarre la luce diffusa dall'immagine. Hanno anche utilizzato un metodo chiamato "deconvoluzione wavelet" per rendere l'immagine più nitida, rimuovendo gli strati di sfocatura per rivelare la vera struttura sottostante.

Dopo aver pulito l'immagine, il team ha misurato la dimensione della galassia cercando un "bordo" specifico. Nell'universo, le galassie non hanno solitamente un confine netto e marcato come un muro; invece, svaniscono gradualmente, come le braci di un falò che si raffreddano. Gli astronomi hanno cercato il punto in cui la forma, il colore e la densità della galassia cambiavano significativamente, segnalando la transizione dal corpo principale della galassia alle stelle sparse e deboli dell'ammasso circostante. Hanno scoperto che il corpo principale di IC 1101 si estende fino a un raggio di circa 260 kpc (kiloparsec). Per dare un termine di paragone, se misuraste l'intero diametro del corpo principale della galassia, sarebbe largo circa 520 kpc. Questo rende IC 1101 la galassia più grande conosciuta ad oggi.

Lo studio ha anche calcolato quanta "materia" sia presente all'interno di questo gigante. All'interno di questo bordo di 260 kpc, la galassia contiene circa 3,4 × 10¹² (3,4 trilioni) di volte la massa del nostro Sole in stelle. Se si includono le debolissime e più esterne volute di stelle che si estendono ancora oltre, la massa stellare totale raggiunge circa 4,2 × 10¹² masse solari. Questo colloca IC 1101 all'estremo limite superiore della relazione tra la massa di una galassia e la sua dimensione, confermando che è davvero la galassia più grande conosciuta.

Tuttempo, la storia non finisce con una semplice misurazione. Le immagini ultra-profonde hanno rivelato qualcosa di affascinante: la galassia non è solo una sfera perfetta e liscia di stelle. I bordi esterni sono disordinati e pieni di strane caratteristiche asimmetriche. I ricercatori hanno individuato deboli strutture filamentose e "pennacchi" di stelle che sembrano essere tirati o rimescolati. Queste caratteristiche si allineano perfettamente con le increspature e i vortici visti nei gas caldi (dati X-ray) che circondano l'ammasso di galassie. Ciò suggerisce che IC 1101 sia ancora nel mezzo di una danza cosmica, probabilmente avendo recentemente subito una fusione con un gruppo più piccolo di galassie o assorbendo attualmente un gruppo di esse. L'"estremità" che hanno trovato non è un punto d'arrivo finale; è il segno che la galassia sta ancora crescendo. Le periferie mostrano chiari segni di un assemblaggio di massa in corso, il che significa che questo gigante sta ancora mangiando i suoi vicini ed espandendo il suo territorio.

In breve, questo articolo conferma che IC 1101 è la galassia più grande che conosciamo, estendendosi per circa 520 kpc e contenendo oltre 4 trilioni di soli in termini di massa. Ma cosa ancora più importante, mostra che anche i giganti più grandi dell'universo sono ancora in mutamento. I bordi della galassia non sono un prodotto finito, ma una zona di costruzione, dove i resti di passate fusioni e l'accrezione continua di nuovo materiale vengono ancora elaborati. Guardando più in profondità rispetto al passato, gli autori hanno dimostrato che le strutture più grandi dell'universo sono sistemi dinamici ed evolutivi che stanno ancora cercando la loro forma definitiva.