Nuove scoperte sulla formazione della Via Lattea

Per studiare i primi giorni della nostra galassia, gli astronomi cercano stelle molto vecchie. Queste stelle sono composte solo da idrogeno ed elio, le materie prime del cosmo

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Nel 20° secolo, gli astronomi hanno scoperto che la Via Lattea è solo una delle innumerevoli galassie che popolano l’universo. La nostra galassia si è formata quasi 14 miliardi di anni fa, quando enormi nubi di gas e polvere si fusero per effetto della forza di gravità. Nel corso del tempo sono emerse due strutture: prima, un vasto “alone” sferico e, in seguito, un disco denso. Miliardi di anni dopo, all’interno del disco si è formato il nostro sistema solare.
Negli ultimi due anni, grazie a migliori dati,i ricercatori hanno riscritto quasi tutti i principali capitoli della storia della galassia.
Il 25 aprile 2018, il telescopio spaziale europeo Gaia ha rilasciato una quantità impressionante di informazioni. Il set di dati di Gaia ha descritto i movimenti dettagliati di circa 1 miliardo di stelle. I dati hanno permesso la nascita di una nuova rivoluzione, ha affermato Federico Sestito, astronomo dell’Osservatorio Astronomico di Strasburgo in Francia.
Gli astronomi studiando i dati di Gaia hanno scoperto che parti del disco, ad esempio, sembravano incredibilmente antichi. Hanno trovato prove di collisioni epiche che hanno plasmato la violenta giovinezza della Via Lattea, oltre a nuovi segni che dimostrano che la Via Lattea continua a evolvere in maniera inaspettata.
Per studiare i primi giorni della nostra galassia, gli astronomi cercano stelle molto vecchie. Queste stelle sono composte solo da idrogeno ed elio, le materie prime del cosmo. Fortunatamente, anche le stelle più piccole tra queste vecchie stelle consumano lentamente il loro combustibile nucleare e quindi sono ancora accese.
Dopo decenni di indagini, i ricercatori hanno realizzato un catalogo di 42 di queste stelle ultra povere di metalli (per gli astronomi, qualsiasi atomo più pesante dell’elio viene definito metallico). Secondo la storia standard della Via Lattea, queste stelle dovrebbero orbitare nell’alone, la prima parte della galassia a formarsi. Al contrario, le stelle nel disco, che si riteneva fossero più giovani di un miliardo di anni dovrebbero essere contaminate da elementi pesanti come il carbonio e l’ossigeno.
Alla fine del 2017, Sestito ha deciso di studiare come si muove questo sciame di stelle povero di metalli utilizzando i dati di Gaia per capire come si fosse formato l’alone.
Dopo aver estratto i dati provenienti da Gaia su 42 stelle antiche, ne ha studiato i movimenti scoprendo che la maggior parte orbitavano attraverso l’alone, come previsto. Ma alcune – circa 1 su 4 – non lo facevano. Piuttosto, sembravano bloccate nel disco, la regione più giovane della Via Lattea, e questo secondo Sestito è inspiegabile.
La ricerca di follow-up ha confermato che le stelle permangono a lungo nel disco. Da due recenti indagini, Sestito e colleghi hanno accumulato una libreria di circa 5.000 stelle povere di metalli. Alcune centinaia di loro sembrano occupare permanentemente il disco. Un altro gruppo ha setacciato circa 500 stelle identificate da un altro sondaggio, scoprendo che circa 1 su 10 giace su orbite circolari simili quella del Sole . E un terzo gruppo di ricerca ha trovato stelle di varie metallicità (e quindi di varie età) che si muovono in orbite piatte. .
Come è possibile che stelle cosi vecchie permangano nel disco? Sestito ha pensato che forse sacche di gas incontaminato fossero riuscite ad evitare tutti i metalli espulsi dalle supernove per eoni, collassando in seguito per formare stelle apparentemente vecchie. Oppure il disco potrebbe aver iniziato a prendere forma quando l’alone si è formato, quasi 1 miliardo di anni prima del previsto.
Per vedere quale fosse la soluzione più probabile, Sestito ha contattato Tobias Buck, ricercatore presso l’Istituto Leibniz di Astrofisica di Potsdam, in Germania, specializzato nella creazione di simulazioni di galassie digitali.
Buck ha aumentato la nitidezza delle sue simulazioni di circa un fattore 10. A quella risoluzione, ogni esecuzione richiedeva risorse di calcolo immense. Anche se aveva accesso al Leibniz Supercomputing Center tedesco, una singola simulazione richiedeva tre mesi di tempo di elaborazione. Ha ripetuto il lavoro sei volte.
Di queste sei simulazioni, cinque hanno prodotto “fantasmi” della Via Lattea. Due di questi presentavano un numero considerevole di stelle del disco povere di metalli.
Come hanno fatto quelle antiche stelle a entrare nel disco? In poche parole, queste stelle sono migrate. Alcuni di loro sono nate in nuvole precedenti alla Via Lattea. Poi è capitato che le nuvole depositassero alcune delle loro stelle in orbite che alla fine avrebbero fatto parte del disco galattico. Altre stelle provenivano da piccole galassie “nane” che sono state assorbite dalla Via Lattea e si sono allineate con il disco in formazione.
I risultati, che il gruppo ha pubblicato a novembre, suggeriscono che i modelli classici di formazione delle galassie sono incompleti. Le nuvole di gas collassano in aloni sferici, come previsto. Ma le stelle che arrivano esattamente alla giusta angolazione possono far partire allo stesso tempo del disco.
Le complicazioni non finiscono qui. Con Gaia, gli astronomi hanno trovato prove dirette di collisioni catastrofiche. Helmer Koppelman, astronomo all’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, ha utilizzato i dati di Gaia per individuare detriti specifici da una delle più grandi fusioni. Analizzando i dati scaricati da Gaia Koppelman e i suoi colleghi hanno scoperto che un numero enorme di stelle dell’alone provenivano dallo scontro avvenuto tra la Via Lattea e una galassia nana.
Forse, la metà di tutte le stelle nei 60.000 anni luce all’interno dell’alone (che si estende per centinaia di migliaia di anni luce in ogni direzione) proveniva da questa collisione, che potrebbe aver aumentato la massa della giovane Via Lattea fino al 10 %. Il gruppo ha chiamato la galassia nana Gaia-Encelado. Un altro team dell’Università di Cambridge ha scoperto in modo indipendente la galassia nello stesso periodo, chiamandola “salsiccia”.
Quando la Via Lattea e Gaia-Encelado si sono scontrate, forse 10 miliardi di anni fa, il delicato disco della Via Lattea potrebbe aver subito danni diffusi. Gli astronomi discutono sul motivo per cui il nostro disco galattico sembra avere due parti: un disco sottile e uno più spesso in cui le stelle si muovono su e giù mentre orbitano attorno al centro galattico. La ricerca condotta da Di Matteo ora suggerisce che Gaia-Encelado ha fatto esplodere gran parte del disco, gonfiandolo durante la collisione.
Prove di ulteriori fusioni sono state individuati in ammassi di stelle noti come ammassi globulari. Diederik Kruijssen, astronomo dell’Università di Heidelberg in Germania, ha utilizzato simulazioni di galassie per addestrare una rete neurale per esaminare gli ammassi globulari. Ha fatto studiare la loro età e le orbite. Da quei dati, la rete neurale potrebbe ricostruire le collisioni che hanno assemblato le galassie. Il programma ha ricostruito eventi noti come Gaia-Encelado, così come una fusione più antica e più significativa che il gruppo ha soprannominato Kraken.
Ad agosto, il gruppo di Kruijssen ha pubblicato una linea di fusione della Via Lattea e delle galassie nane che l’hanno formata. Hanno inoltre previsto l’esistenza di 10 ulteriori collisioni passate che sperano possano essere confermate da osservazioni indipendenti.
Tutte queste fusioni hanno portato alcuni astronomi a suggerire che l’alone potrebbe essere costituito quasi esclusivamente da stelle immigrate. I modelli degli anni ’60 e ’70 prevedevano che la maggior parte delle stelle dell’alone della Via Lattea si sarebbero dovute formare sul posto. Ma poiché sempre più stelle sono state identificate come intrusi galattici, gli astronomi potrebbero non aver bisogno di presumere che molte stelle, se ce ne sono, siano native, ha detto Di Matteo.
La Via Lattea ha goduto di una storia relativamente tranquilla negli ultimi eoni. Gli osservatori nell’emisfero australe possono individuare ad occhio nudo una coppia di galassie nane chiamate Grandi e Piccole Nubi di Magellano. Gli astronomi hanno pensato a lungo che la coppia fosse costantemente in orbita attorno alla Via Lattea.
Una serie di osservazioni del Telescopio Spaziale Hubble tra il 2006 e il 2013 ha scoperto che erano più simili a meteoriti in arrivo. Nitya Kallivayalil, astronomo presso l’Università della Virginia, ha rilevato che le due galassie nanesi muovono a circa 330 chilometri al secondo, quasi il doppio di quanto previsto verso la Via Lattea.
Un team guidato da Jorge Peñarrubia, astronomo dell’Osservatorio Reale di Edimburgo ha concluso che le nubi veloci dovevano essere estremamente pesanti, forse 10 volte più voluminose di quanto si pensasse in precedenza. Vari gruppi hanno predetto che le galassie nane inaspettatamente massicce potrebbero trascinare via parti della Via Lattea, e Peñarrubia ha collaborato con Petersen per trovare le prove.
Il problema con la ricerca di un movimento a livello di galassia è che la Via Lattea è una violenta tempesta di stelle, con gli astronomi che guardano verso l’esterno “attraverso la tempesta”. Quindi Peñarrubia e Petersen hanno trascorso la maggior parte del blocco per capire come neutralizzare i movimenti della Terra e del sole e come calcolare la media del movimento delle stelle dell’alone in modo che la frangia esterna dell’alone potesse fungere da sfondo stazionario.
Quando hanno calibrato i dati, hanno scoperto che la Terra, il Sole e il resto del disco in cui si trovano oscillano in una direzione, non verso la posizione attuale della Grande Nube di Magellano, ma verso la sua posizione occupata intorno a un miliardo anni fa. Recentemente hanno dettagliato le loro scoperte in Nature Astronomy.
Lo scorrimento del disco contro l’alone mina un presupposto fondamentale: che la Via Lattea sia un oggetto in equilibrio. Può ruotare e scivolare nello spazio, ma la maggior parte degli astronomi presumeva che dopo miliardi di anni il disco e l’alone si fossero stabiliti in una configurazione stabile.
Fonte: https://www.quantamagazine.org/the-new-history-of-the-milky-way-20201215/