The dichotomy concerns the so-called angular momentum (per unit mass), that in physics is a measure of size and rotation velocity. Spiral galaxies are found to be strongly rotating, with an angular momentum higher by a factor of about 5 than ellipticals. What is the origin of such a difference? An international research team investigated the issue in a study just published in The Astrophysical Journal. The team was led by SISSA Ph.D. student JingJing Shi under the supervision of Andrea Lapi and Luigi Danese, and in collaboration with Huiyuan Wang from USTC (Hefei) and Claudia Mancuso from IRA-INAF (Bologna).
The researchers inferred from observations the amount of gas fallen into the central region of a developing galaxy, where most of the star formation takes places. The outcome is that in elliptical galaxies only about 40% of the available gas fell into that central region. More relevantly, this gas fueling star formation was characterized by a rather low angular momentum since the very beginning. This is in stark contrast with the conditions found in spirals, where most of the gas ending up in stars had an angular momentum appreciably higher.
In this vein, the researchers have traced back the dichotomy in the angular momentum of spiral and elliptical galaxies to their different formation history. Elliptical galaxies formed most of their stars in a fast collapse where angular momentum is dissipated. This process is likely stopped early on by powerful gas outflows from supernova explosions, stellar winds and possibly even from the central supermassive black hole. For spirals, on the other hand, the gas infelt slowly conserving its angular momentum and stars formed steadily along a timescale comparable to the age of the Universe.
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La differenza sta nel cosiddetto momento angolare per unità di massa che, in fisica, misura il raggio e la velocità della rotazione. Le galassie a spirale sono caratterizzate da una rotazione elevata, con un momento angolare più alto di un fattore 5 di quello delle ellittiche. Qual è la ragione di questa diversità? È questo il tema investigato da un nuovo studio appena pubblicato su The Astrophysical Journal da un team di ricerca guidato dalla studentessa di PhD della SISSA JingJing Shi sotto la supervisione di Andrea Lapi e Luigi Danese, in collaborazione con Huiyuan Wang dell’University of Science and Technology di Hefei, Cina, e Claudia Mancuso dell’IRA-INAF di Bologna.
I ricercatori si sono concentrati sull’osservazione della quantità di gas precipitato nella regione centrale della galassia in formazione, quella in cui si forma la maggior parte delle stelle. I risultati emersi evidenziano che nelle galassie ellittiche solo il 40% circa del gas disponibile raggiunge quest’area. Quel che è più importante, però, è che lo stesso gas sin dall’inizio si caratterizza per un momento angolare piuttosto basso. Tutto ciò è in stringente contrasto con le condizioni riscontrate nelle galassie a spirale, dove la maggior parte del gas da cui si formano le stelle ha un momento angolare significativamente più alto.
Nello studio, gli scienziati hanno fatto risalire questa singolare differenza alle diversità nei processi che portano alla loro formazione. Nelle ellittiche, la maggior parte delle stelle si produce in un collasso rapido, in cui il momento angolare viene dissipato. Questo processo è poi probabilmente bloccato da una potente fuga di gas causato dall’esplosione di supernove, venti stellari e, persino, dall’emissione del buco nero supermassiccio in accrescimento che si trova al centro delle galassie. Per le spirali, d’altro canto, il gas fluisce verso la regione centrale della galassia lentamente, conservando così il momento angolare, mentre le stelle si formano costantemente in una scala di tempo comparabile a quella dell’Universo.
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