New observations performed with the Inamori Magellan Areal Camera and Spectrograph (IMACS) on the Magellan telescope of the Las Campanas Observatory have made it possible to determine the average age and the chemical composition of the stellar populations in the galaxies belonging to the Universe of 7 billion years ago. Through these observations it is possible to study how these physical properties changed over time and identify the ways in which the galaxies may have evolved through to the present Universe.Nuove osservazioni con lo spettrografo IMACS sul telescopio Magellan dell’Osservatorio Las Campanas hanno permesso di determinare l’età media e la composizione chimica delle popolazioni stellari in galassie appartenenti all’Universo di 7 miliardi di anni fa. Tramite queste osservazioni è possibile studiare la variazione di queste proprietà fisiche nel tempo e individuare i possibili percorsi evolutivi delle galassie fino all’Universo attuale

Gallazzi, Anna

Zibetti, Stefano

Firenze University Press: E-Journals

Il Colle di 
Galileo
© 2015 Firenze University Press Vol. 4, 1, 2015, pp. 51-56
ISSN 2281-7727 (print) DOI: 10.13128/Colle_Galileo-16078
ISSN 2281-9711 (online) www.fupress.com/cdg
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Anna Gallazzi, Stefano Zibetti
Uno studio archeologico delle 
galassie negli ultimi 7 miliardi di 
anni
An archaeological study of galaxies in the last 7 billion 
years 
INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri
Sommario. Nuove osservazioni con lo spettrografo IMACS sul telescopio Magellan dell’Os-
servatorio Las Campanas hanno permesso di determinare l’età media e la composizione 
chimica delle popolazioni stellari in galassie appartenenti all’Universo di 7 miliardi di anni 
fa. Tramite queste osservazioni è possibile studiare la variazione di queste proprietà fisiche 
nel tempo e individuare i possibili percorsi evolutivi delle galassie fino all’Universo attuale.
Parole chiave. evoluzione delle galassie; popolazioni stellari delle galassie; spettroscopia
Le stelle nelle galassie costituiscono meno del 10% della materia ordinaria nell’U-
niverso ed esse racchiudono complessivamente solo lo 0.2% degli elementi più 
pesanti di idrogeno ed elio (i cosiddetti metalli) prodotti durante il ciclo evoluti-
vo delle stelle. D’altro canto, l’età e le proprietà chimiche delle popolazioni stel-
lari sono il risultato della storia di formazione stellare all’interno delle galassie. 
Studiando le popolazioni stellari attuali delle galassie, in una sorta di approccio 
Abstract. New observations performed with the Inamori Magellan Areal Camera and Spec-
trograph (IMACS) on the Magellan telescope of the Las Campanas Observatory have made 
it possible to determine the average age and the chemical composition of the stellar popula-
tions in the galaxies belonging to the Universe of 7 billion years ago. Through these observa-
tions it is possible to study how these physical properties changed over time and identify the 
ways in which the galaxies may have evolved through to the present Universe.
Keywords. Galaxy evolution; galaxy stellar populations; spectroscopy 
The stars in galaxies represent less than 10% of the ordinary matter in the Universe, and over-
all comprise only 0.2% of elements heavier than hydrogen and helium (the so-called metals) 
produced during the stellar evolutionary cycle. On the other hand, the age and the chemical 
properties of  stellar populations are the result of the galaxy star formation history. Therefore, 
Anna Gallazzi, Stefano Zibetti
Anna Gallazzi, Stefano Zibetti
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archeologico, è quindi possibile dedurre la storia evolutiva delle galassie stesse 
e, in ultima analisi, comprendere i meccanismi che stimolano o sopprimono la 
formazione stellare nel corso della storia dell’Universo. Questo approccio arche-
ologico può essere esteso ad epoche passate guardando galassie a distanze sempre 
maggiori da noi, come nello studio condotto dal nostro gruppo.
Per una galassia distante non possiamo studiare individualmente le sue stelle, 
ma possiamo decifrare le proprietà medie delle sue popolazioni stellari tramite la 
spettroscopia, ovvero la scomposizione della luce emessa dalla galassia nelle sue 
varie componenti a diverse lunghezze d’onda. In particolare, l’intensità di diversi 
assorbimenti nello spettro di una galassia dipende dall’età delle stelle e dal loro con-
tenuto in metalli, proprietà che possono essere stimate tramite un confronto con 
appropriati modelli teorici che descrivono l’evoluzione delle popolazioni stellari.
Studi condotti su un grande numero di galassie relativamente a noi vicine (nel-
lo spazio e quindi nel tempo), ossia nell’Universo dei giorni nostri, hanno per-
messo di stabilire che galassie più massicce hanno formato le loro stelle in epoche 
precedenti e più rapidamente di galassie più piccole. Attualmente le galassie più 
grandi sono prevalentemente inattive, ovvero prive di formazione stellare. La si-
tuazione era diversa quando l’Universo era più giovane: guardando a distanze 
sempre maggiori, ovvero a epoche sempre più remote quando l’Universo era più 
giovane, si trova un numero sempre maggiore di galassie massicce che formano 
stelle. Confrontando le proprietà fisiche di queste galassie con quelle delle loro 
controparti odierne è possibile avere un quadro della transizione iniziata circa 8 
miliardi di anni fa da una fase attiva a una passiva.  
in a sort of archaeological approach, by studying the present stellar populations  in galaxies 
it is possible to deduce the evolutionary history of the galaxies themselves and, ultimately, un-
derstand the mechanisms that stimulate or quench star formation over the course of the history 
of the Universe. This archaeological approach can be extended to past epochs by looking at 
galaxies increasingly further away from us, as in the study carried out by our group.
In the case of a distant galaxy we cannot study its stars individually, but we can decipher 
the average properties of its stellar populations through spectroscopy, by breaking down the 
galaxy light into its components at different wavelengths. More specifically, the intensity of 
different absorptions in the spectrum of a galaxy depends on the age of the stars and their 
metal content. These properties can be estimated by comparison with appropriate theoretical 
models that describe the evolution of stellar populations.
Studies conducted on a large number of galaxies relatively close to us (in space and hence 
in time), in other words in our present Universe, have made it possible to establish that the 
stars in more massive galaxies were formed in earlier epochs, and more rapidly, than those 
in smaller galaxies. At present, most of the massive galaxies are quiescent, that is they are de-
void of star formation. The situation was different when the Universe was younger. By observ-
ing earlier epochs when the Universe was younger, it is possible to find an increasingly larger 
number of massive galaxies forming stars. Comparing the physical properties of these galax-
ies with those of their modern counterparts it is possible to get a picture of the transition that 
began around 8 billion years ago from an active to a passive phase.  
Uno studio archeologico delle galassie negli ultimi 7 miliardi di anni
An archaeological study of galaxies in the last 7 billion years 
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Ottenere spettri di buona qualità per galassie così distanti, dunque deboli e la 
cui luce è spostata nel rosso in una regione poco accessibile da terra, è una sfida 
osservativa che solo negli ultimi anni si riesce ad affrontare in modo efficiente. Il 
nostro gruppo, grazie anche ad una collaborazione americana, si è avvalso delle 
capacità dello spettrografo IMACS sul telescopio Magellan da 6.5 m di diametro 
dell’Osservatorio Las Campanas, per ottenere simultaneamente spettri di alta 
qualità per 80 galassie massicce a una distanza di quasi 7 miliardi di anni luce, 
quando l’Universo aveva circa metà della sua età attuale.
Analizzando gli assorbimenti negli spettri di queste galassie, per la prima vol-
ta è stato possibile determinare l’età media e il contenuto in metalli delle popola-
zioni stellari in galassie ad epoche cosi’ antiche e metterli in relazione alla massa 
e al tasso di formazione stellare delle galassie (vedi Fig.1). Tramite un confronto 
diretto con le analoghe relazioni osservate nell’Universo attuale, abbiamo visto 
che galassie che erano già inattive 7 miliardi di anni fa (cerchi in Fig.1) avevano 
metallicità confrontabili alle loro controparti odierne ed età stellari consistenti 
con il semplice invecchiamento dell’Universo. Questo indicherebbe che tali ga-
lassie non hanno subito altre trasformazioni negli ultimi 7 miliardi di anni. Nelle 
galassie attive, invece, si osserva mediamente un aumento del contenuto in me-
talli (stelle in Fig. 1) come conseguenza di una continua formazione stellare ne-
gli ultimi 7 miliardi di anni e della continua produzione di metalli nelle nuove 
generazioni di stelle. Tuttavia, per poter spiegare le relazioni attuali a partire da 
quelle passate è necessario che in una frazione delle galassie attive la formazione 
stellare venga soppressa, in accordo con altri studi indipendenti. Il nostro studio 
For galaxies that are so distant – and hence faint and whose light is shifted toward red 
wavelengths that are hard to access from earth – obtaining good-quality spectra is an obser-
vational challenge, which has only recently become possible to address efficiently. With the 
help of an American collaboration, our group was able to take advantage of the IMACS spec-
trograph on the 6.5 metre diameter Magellan telescope at the Las Campanas Observatory to 
simultaneously obtain high-quality spectra for 80 massive galaxies at a distance of almost 7 
billion light years, when the Universe was about half the age it is now.
By analysing the absorption in the spectra of these galaxies, it was possible for the first 
time to determine the average age and the metal content of the stellar populations in galaxies 
of such ancient epochs and  put them in relation with the galaxy mass and star formation rate 
(see Figure 1). Through a direct comparison with the analogous relations observed in the pre-
sent Universe, we noted that galaxies that were already inactive 7 billion years ago (circles in 
Figure 1) displayed metallicity comparable to their modern-day counterparts and stellar ages 
consistent with the mere ageing of the Universe. This would indicate that these galaxies have 
not undergone further changes in the last 7 billion years. In the active galaxies, on the other 
hand, we can observe on average an increase in the metal content (stars in Figure 1) as a 
consequence of continuous star-formation over the last 7 billion years and of the ongoing pro-
duction of metals in the new generations of stars. Nevertheless, in order to explain the present 
relations on the basis of those of the past, it is necessary for star-formation to be quenched in 
a fraction of the active galaxies, and this tallies with other independent studies. Our study re-
Anna Gallazzi, Stefano Zibetti
Anna Gallazzi, Stefano Zibetti
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Figura 1. Età media (pannello a) e contenuto in metalli (pannello b) delle galassie osservate in questo studio 
in funzione della loro massa stellare. Queste sono confrontate con la regione occupata dalle galassie dell’U-
niverso attuale nelle analoghe proprietà (racchiusa dalle curve tratteggiate), ricavata da uno studio preceden-
te. Le galassie di questo studio sono distinte in galassie passive (cerchi) e attive (stelle) in base al loro tasso 
di formazione stellare specifico (indicato dal colore dei simboli, in ordine crescente dal rosso al violetto). Le 
galassie passive mostrano uno stadio evolutivo confrontabile alle galassie attuali, compatibilmente con l’in-
vecchiamento dell’Universo. Le galassie attive, invece, hanno una maggiore diversità nelle loro proprietà e 
di conseguenza nel percorso evolutivo fino all’Universo attuale.
Figure 1. Average age (panel a) and metal content (panel b) of the galaxies observed in this study as a function of their 
stellar mass. These are compared with the range in the same properties spanned by galaxies in the present Universe 
derived from a previous study (enclosed between the dashed curves). The galaxies of this study are divided into quies-
cent (circles) and active (stars) galaxies on the basis of their specific star-formation rate (indicated by the colour of the 
symbols, on an increasing scale from red to violet). The quiescent galaxies display an evolutionary stage comparable to 
that of the present galaxies, compatible with the ageing of the Universe. The active galaxies, on the other hand, reveal a 
greater diversity of properties and consequently of their evolutionary progress towards the present Universe.
Uno studio archeologico delle galassie negli ultimi 7 miliardi di anni
An archaeological study of galaxies in the last 7 billion years 
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mostra l’esistenza nell’Universo giovane di galassie attive che avevano una me-
tallicità già confrontabile a quella osservata nelle galassie inattive di oggi e che 
pertanto si qualificano come buone candidate a subire una interruzione nella lo-
ro formazione stellare.
Questo studio apre la strada ad ulteriori approfondimenti che saranno possi-
bili con osservazioni analoghe su un maggior numero di galassie per determinare 
la rapidità a cui la formazione stellare viene inibita e su quale frazione di galassie.
Bibliografia
Gallazzi, A., Bell, E.F., Zibetti, S., et al (2014), Astrophysical Journal, 788, 72
Anna Gallazzi e Stefano Zibetti si sono entrambi laureati in Fisica all’Università 
degli Studi di Milano-Bicocca e hanno conseguito il dottorato di ricerca in Astro-
fisica presso il Max-Planck-Institut fuer Astrophysik di Garching. Entrambi lavo-
rano presso l’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Anna Gallazzi in qualità 
di Marie Curie-AstroFIt fellow dal 2013, Stefano Zibetti come ricercatore dal 2012.
veals the existence in the young Universe of active galaxies with metallicity already compara-
ble to that of the quiescent galaxies of today, and which therefore qualify as good candidates 
for undergoing an interruption in their star-forming activity.
This study opens the way to further explorations that can be performed by making similar 
observations on a greater number of galaxies in order to determine the speed with which star 
formation is quenched and in which fraction of galaxies.
Bibliography
Gallazzi, A., Bell, E.F., Zibetti, S., et al (2014), Astrophysical Journal, 788, 72
Anna Gallazzi and Stefano Zibetti both have degrees in Physics from the Milano-Bicocca Univer-
sity and took their PhDs in Astrophysics at the Max-Planck-Institut fuer Astrophysik in Garching. 
They both work at the INAF-Arcetri Astrophysical Observatory, Anna Gallazzi in the capac-
ity of Marie Curie-AstroFIt fellow since 2013 and Stefano Zibetti as a researcher since 2012.



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