I resti di un antico ammasso stellare scoperti ai margini della nostra galassia

Un flusso stellare primordiale scoperto nelle zone più esterne della Via Lattea ha una percentuale inferiore di elementi pesanti rispetto a qualsiasi sistema stellare conosciuto nella nostra galassia. Le osservazioni dell’Osservatorio Gemini, un programma del NOIRLab di NSF, hanno mostrato che le stelle in questo flusso sono state strappate da un antico ammasso stellare e sono reliquie dei primi giorni della Via Lattea e potrebbero fornire informazioni sulla formazione delle prime stelle.

Un team internazionale di ricercatori, tra cui membri provenienti da Europa, Canada e Russia, ha scoperto un flusso unico di stelle in orbita attorno alla Via Lattea. Chiamato C-19, il flusso stellare si trova a sud della spirale della Via Lattea e la sua orbita si estende per circa 20.000 anni luce dal Centro Galattico al suo massimo avvicinamento e circa 90.000 anni luce al suo minimo. Il flusso stellare si estende su un’impressionante distesa del cielo notturno – circa 30 volte la larghezza della Luna piena – sebbene non sia visibile ad occhio nudo.

Utilizzando il telescopio Gemini North — situato alle Hawaii come parte dell’Osservatorio internazionale Gemini, un programma del NOIRLab di NSF — e lo strumento GRACES, il team ha realizzato che il C-19 è un residuo di un ammasso globulare. Inoltre, le stelle nel flusso possiedono una proporzione straordinariamente bassa di elementi pesanti o, come lo definiscono gli astronomi, una bassa “metallicità”. In precedenza si pensava che gli ammassi globulari avessero una metallicità non inferiore allo 0,2%, ma il C-19 ha una metallicità senza precedenti, inferiore allo 0,05%, meno di quanto mai osservato per un sistema stellare nella Via Lattea o nei suoi dintorni.

La scoperta che un flusso a bassa metallicità ha avuto origine da un ammasso globulare ha implicazioni per la formazione di stelle, ammassi stellari e galassie nell’Universo primordiale. L’esistenza stessa del flusso dimostra che gli ammassi globulari e i primi elementi costitutivi della Via Lattea devono essere stati in grado di formarsi in ambienti a basso contenuto di metalli, prima che generazioni successive di stelle fornissero all’Universo elementi più pesanti.

“Non si sapeva se esistessero ammassi globulari con così pochi elementi pesanti – alcune teorie hanno persino ipotizzato che non potessero formarsi affatto“, ha commentato Nicolas Martin dell’Osservatorio Astronomico di Strasburgo, che è l’autore principale dell’articolo su Nature che riporta questa scoperta. “Altre teorie suggeriscono che sarebbero tutti scomparsi da tempo, il che rende questa scoperta una chiave per la nostra comprensione di come si formano le stelle nell’Universo primordiale“.

I membri del team hanno originariamente individuato il C-19 nei dati della missione Gaia utilizzando un algoritmo progettato specificamente per rilevare flussi stellari. Le stelle in C-19 sono state identificate anche dal sondaggio Pristine – una ricerca delle stelle con la più bassa metallicità all’interno e intorno alla Via Lattea utilizzando il telescopio Canada-Francia-Hawaii alle Hawaii – come abbastanza interessanti da meritare un follow-up di osservazioni. Per identificare l’origine delle stelle costituenti C-19, gli astronomi avevano bisogno degli spettri dettagliati di GRACES. Il team ha anche raccolto dati utilizzando uno spettrografo montato sul Gran Telescopio Canarias a La Palma nelle Isole Canarie.

“GRACES ha fornito gli indizi critici che il C-19 è un ammasso globulare spezzato e non una più comune galassia nana decaduta“, ha spiegato Kim Venn dell’Università di Victoria, il ricercatore principale per le osservazioni GRACES. “Sapevamo già che si trattava di un flusso molto povero di metalli, ma identificarlo come un ammasso globulare richiedeva le metallicità di precisione e le abbondanze chimiche dettagliate disponibili solo con spettri ad alta risoluzione“.

Le osservazioni di Gemini suggeriscono che l’ammasso deve essersi formato da generazioni molto antiche di stelle, rendendo C-19 una notevole reliquia dal momento in cui si stavano formando i primissimi gruppi di stelle. Di conseguenza, questa scoperta migliora la nostra comprensione della formazione di stelle e ammassi stellari sorti poco dopo il Big Bang e fornisce un laboratorio naturale vicino a casa in cui studiare le strutture più antiche nelle galassie.

Questa animazione mostra come un ammasso globulare, in orbita attorno a una Via Lattea ancora in formazione, può essere stato fatto a pezzi dalla gravità della galassia in via di sviluppo per diventare il flusso stellare C-19 che ora orbita intorno all’attuale Via Lattea. Credito: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC)

“Questo manufatto dei tempi antichi apre una finestra diretta e unica sulle prime epoche della formazione stellare nell’Universo“, ha concluso il co-investigatore Julio Navarro dell’Università di Victoria. “Mentre gli astronomi possono guardare le galassie più lontane per studiare l’Universo primordiale, ora sappiamo che è possibile studiare le strutture più antiche della nostra galassia come fossili di quei tempi antichi“.

“Questa collaborazione internazionale rivela nuove intuizioni sorprendenti sulla struttura, l’evoluzione e la formazione della nostra galassia“, ha aggiunto Martin Still, direttore del programma Gemini presso la National Science Foundation. “Gli osservatori Gemini continuano a dimostrare progressi chiave nella comprensione del nostro cielo notturno, riguardo all’ecosistema cosmico e al nostro posto nell’Universo“.

Appunti

1. I flussi stellari sono raccolte di stelle che un tempo risiedevano pacificamente in ammassi globulari o galassie nane, ma da allora sono state dilaniate dalle interazioni gravitazionali e distorte in lunghi rivoli di stelle che si estendono lungo l’orbita originale dell’ammasso.
2. Gemini Remote Access to CFHT ESPaDOnS Spectrograph (GRACES) è il risultato di una cooperazione tra il Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT), Gemini e NRC-Herzberg (Canada). Combina l’ampia area di raccolta del telescopio Gemini North con l’alto potere di risoluzione e l’elevata efficienza dello spettrografo ESPaDONS al CFHT per fornire spettroscopia ad alta risoluzione su lunghezze d’onda ottiche. Ciò è ottenuto attraverso una fibra ottica di 270 metri di lunghezza alimentata dal telescopio Gemini North a ESPaDONS.
3. Gli astronomi usano il termine “metalli” per riferirsi a elementi più pesanti dell’elio. Poiché la maggior parte della materia convenzionale nell’Universo è costituita dai due elementi più leggeri, idrogeno ed elio, “metalli” è una comoda abbreviazione usata per descrivere tutti gli altri elementi. Ad esempio, il nostro Sole ha una metallicità di 0,012, il che significa che solo l’1,2% del Sole è costituito da elementi più pesanti dell’elio (principalmente ossigeno, carbonio e ferro).
4. Gli elementi più pesanti dell’elio si formano principalmente attraverso la nucleosintesi stellare, la creazione di elementi chimici attraverso la fusione nei nuclei delle stelle. Alla fine della vita delle stelle, gli elementi pesanti che hanno creato vengono gettati nell’Universo e incorporati in nuove stelle. Di conseguenza, le stelle più vecchie dell’Universo primordiale tendono ad avere metallicità inferiori rispetto alle stelle più giovani, che si sono formate di recente in ambienti relativamente ricchi di metalli.
5. La navicella spaziale Gaia dell’Agenzia spaziale europea è stata lanciata nel 2013 con la missione di creare una mappa tridimensionale precisa di oltre un miliardo di stelle, inclusa la mappatura delle posizioni, dei movimenti, delle composizioni e delle temperature di queste stelle.
6. Le osservazioni Gemini facevano parte di un programma osservativo Large and Long condotto da Kim Venn dell’Università di Victoria (Canada). Questi programmi vengono assegnati a una manciata di astronomi ogni anno in previsione di un significativo impatto scientifico e di una migliore collaborazione nella comunità astronomica.
7. Le osservazioni Gemini hanno rivelato che i rapporti sodio-magnesio nelle stelle C-19 variavano di un fattore tre, il che è tipico delle stelle negli antichi ammassi globulari (probabilmente a causa della combustione di idrogeno ad alta temperatura) e non si vede nelle galassie nane regolari.

Riferimento: “A stellar stream remnant of a globular cluster below the metallicity floor” di Nicolas F. Martin, Kim A. Venn, David S. Aguado, Else Starkenburg, Jonay I. González Hernández, Rodrigo A. Ibata, Piercarlo Bonifacio, Elisabetta Caffau, Federico Sestito, Anke Arentsen, Carlos Allende Prieto, Raymond G. Carlberg, Sébastien Fabbro, Morgan Fouesneau, Vanessa Hill, Pascale Jablonka, Georges Kordopatis, Carmela Lardo, Khyati Malhan, Lyudmila I. Mashonkina, Alan W. McConnachie, Julio F Navarro, Rubén Sánchez-Janssen, Guillaume F. Thomas, Zhen Yuan e Alessio Mucciarelli, 5 gennaio 2022, Natura .
DOI: 10.1038/s41586-021-04162-2