Antichi sconvolgimenti galattici

Astrofisica
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Ricostruzione pittorica dell’incontro tra una galassia come la Via Lattea e una galassia più piccola. Le tracce lasciate da un incontro di questo tipo, avvenuto tra gli 8 e i 10 miliardi di anni fa, sono state individuate nei dati dinamici e chimici delle stelle osservate da Gaia. Crediti: V. Belokurov (Cambridge – UK)

La ricostruzione è una rielaborazione dell’immagine dell’interazione delle galassie NGC 5426 e NGC 5427, note collettivamente con il nome di Arp 271. Crediti: ESO/Juan Carlos Muñoz

Solamente qualche mese fa mettevamo in giusto risalto la pubblicazione di Gaia DR2, il secondo catalogo dei dati collezionati dal fantastico satellite dell’ESA. Gli addetti ai lavori hanno da subito messo in evidenza quanto fosse cruciale che Gaia avesse raccolto una simile mole di dati stellari e quanto fosse importante la sua affidabilità e il numero di stelle coinvolte. Si sta parlando della schedatura più completa mai realizzata finora di quasi un miliardo e settecento milioni di stelle della Via Lattea: una vera manna per gli astrofisici che studiano l’evoluzione stellare. Ma una altrettanto ghiotta occasione per chi si occupa di ricostruire la stessa evoluzione della Via Lattea. Proprio dai dati di Gaia, infatti, sono emerse le prove di un evento avvenuto tra otto e dieci miliardi di anni fa che ha profondamente influenzato l’evoluzione della nostra Galassia.

Scontri e fusioni

Gli attuali modelli evolutivi delle galassie prevedono che le galassie più grandi abbiano raggiunto le attuali dimensioni fondendosi e inglobando galassie più piccole. Scrutando il cosmo, sono numerose le testimonianze di violente interazioni tra sistemi stellari (a queste pagine possiamo gustare alcune eloquenti immagini raccolte dal telescopio spaziale Hubble) e non v’è motivo di supporre che la nostra Galassia possa essere stata esentata da un simile drammatico percorso evolutivo. Lo studio dei moti relativi della Via Lattea e della galassia di Andromeda, per esempio, suggerisce che in un lontano futuro – si parla di quattro miliardi di anni – le due galassie interagiranno e si fonderanno in un unico gigantesco sistema stellare.

Se osservare interazioni in atto o pronosticare fusioni future potrebbe anche sembrare facile, individuare le tracce di eventi di fusioni galattiche molto antichi non è altrettanto agevole. Voler indagare su eventi del lontano passato della Via Lattea, poi, è reso particolarmente complicato dal fatto che noi ci troviamo all’interno della Galassia e il nostro orizzonte osservativo non è proprio tra i più adeguati. Nei dati di Gaia, però, si possono nascondere informazioni cruciali. In una serie di articoli pubblicati all’inizio di luglio, infatti, alcuni astronomi suggeriscono che tra otto e dieci miliardi di anni fa la Via Lattea fu protagonista di un importante evento di fusione galattica con un sistema stellare piuttosto massiccio, tanto che la stessa struttura della Galassia e le sue regioni più interne vennero rimodellate.

Alla base di questo scenario vi sono proprio i dati raccolti dal satellite dell’ESA. Tracciando le velocità stellari e mettendo in relazione il moto circolare (intorno al nucleo galattico) e quello radiale (allontanamento e avvicinamento dal nucleo), è emersa una curiosa distribuzione “a salsiccia” imputabile all’elevato moto radiale di un cospicuo gruppo di stelle, una distribuzione che ha portato a battezzare con il nome di Sausage Galaxy, o anche Gaia Sausage, la galassia di origine per quelle stelle. Non si tratta di una galassia direttamente osservabile nella realtà, ma la sua esistenza emerge dai dati dinamici: la distribuzione osservata tracciando le velocità, insomma, ci parla di stelle che, pur non formando più una struttura omogenea, condividono comunque un identico passato dinamico. Proprio la presenza di queste considerevoli velocità rispetto al centro galattico sarebbe la traccia lasciata dallo scontro tra la Via Lattea e la galassia Sausage.

«La collisione ha fatto a pezzi la galassia nana – spiega Vasily Belokurov dell’Università di Cambridge – e ha fatto sì che le sue stelle si muovessero su orbite molto radiali. I percorsi delle stelle le conducono molto vicino al centro della nostra Galassia, un segno rivelatore che la galassia nana entrò in un'orbita davvero eccentrica e il suo destino fu inesorabilmente segnato.»

La distribuzione delle velocità stellari (velocità radiale in ascissa e velocità circolare in ordinata) fa emergere la caratteristica forma “a salsiccia” delle stelle della galassia Sausage. Nel grafico non sono comprese le stelle che attualmente stanno compiendo il giro di boa prima di rituffarsi verso il centro della Via Lattea. Crediti: V. Belokurov (Cambridge – UK) e Gaia/ESA

Alis Deason (Durham University) e collaboratori sottolineano l’esistenza di un ulteriore e chiaro elemento dinamico: le stelle di Gaia Sausage hanno il loro apocentro, cioè il punto di massima distanza orbitale dal nucleo galattico, a una medesima distanza dal centro della Via Lattea. Le loro orbite, dunque, le portano a descrivere vere e proprie inversioni a U che hanno come diretta conseguenza una diminuzione della densità stellare nell’alone della Galassia proprio in corrispondenza della distanza alla quale avviene quell’inversione.

Secondo le analisi dinamiche compiute da GyuChul Myeong (Università di Cambridge) e collaboratori, le tracce di quell’evento così cruciale per la Via Lattea sono presenti anche nel moto orbitale di una decina di ammassi globulari. La loro analisi delle proprietà dinamiche degli ammassi globulari della Via Lattea ha infatti messo in luce che almeno 8 di essi possiedono le caratteristiche dinamiche che ci si potrebbe attendere da sistemi inizialmente appartenenti alla galassia Sausage. Tale appartenenza verrebbe confermata anche dall’analisi chimica delle loro stelle, compatibile con quanto sappiamo delle stelle che compongono le galassie nane sferoidali. Un numero così elevato di ammassi globulari, inoltre, suggerisce che ci troviamo in presenza di una galassia piuttosto massiccia, più massiccia della galassia nana sferoidale della Fornace, un sistema stellare satellite della Via Lattea.

Tra otto e dieci miliardi di anni fa, insomma, la situazione in questo angolo di Universo sarebbe stata tutt’altro che tranquilla. Era in atto un titanico scontro tra due galassie che avrebbe portato la più piccola alla disgregazione e la vincitrice, la nostra Via Lattea, a un pesante riassetto della sua struttura, rimodellandone sia il nucleo interno sia l’alone stellare esterno.

Galassia che vai…

Proprio mentre i dati di Gaia permettevano di ricostruire un processo di merging galattico che ha avuto un ruolo cruciale nell’evoluzione della nostra Via Lattea, veniva pubblicato su Nature Astronomy uno studio relativo a un altrettanto importante episodio di fusione galattica riguardante il sistema stellare di Andromeda.

Secondo Richard D’Souza ed Eric Bell, rispettivamente ricercatore postdoc e docente di astronomia all’Università del Michigan, più di due miliardi di anni fa la galassia di Andromeda avrebbe interagito con una galassia di massa considerevole e l’interazione avrebbe lasciato una chiara impronta nella struttura del suo disco. Tale galassia, battezzata M32p, era per dimensioni il terzo membro del nostro Gruppo Locale e la sua componente stellare sarebbe ammontata a circa 25 miliardi di masse solari.

I due ricercatori erano interessati a scoprire come mai il disco stellare di Andromeda fosse così spesso; è pur vero che è grande il doppio di quello della Via Lattea, ma con i suoi 2600 anni luce di spessore è otto volte più spesso di quello della nostra Galassia. Ricorrendo a simulazioni su grande scala, è emerso che un disco stellare così massiccio si forma solo in seguito a una grande collisione galattica. Il fatto che, poi, il disco stellare di Andromeda presenti un'elevata metallicità – termine con il quale gli astronomi indicano l’abbondanza degli elementi più pesanti di idrogeno ed elio – suggerisce che la galassia che impattò contro Andromeda fosse una galassia massiccia, con una importante storia stellare alle spalle e dunque di elevata metallicità.

Le simulazioni indicherebbero che l’interazione tra le due galassie sarebbe iniziata 5 miliardi di anni fa e gli effetti del disturbo si protrassero fino a 2 miliardi di anni fa. Una finestra temporale che concorda con il fatto che circa un quinto delle stelle della galassia di Andromeda si sono accese circa due miliardi di anni fa, un boom di nascite stellari innescato proprio dalla interazione tra le due galassie. Nello studio si giunge alla conclusione che M32p non ne uscì completamente smembrata, ma da quel devastante incontro con Andromeda sopravvisse il suo nucleo particolarmente compatto. Secondo gli astronomi quel nucleo sarebbe la galassia che oggi conosciamo come M32, un compatto sistema stellare strettamente legato ad Andromeda. Il fatto che nella storia di M32 vi fu un evento così dirompente potrebbe spiegare molte delle sue particolari caratteristiche, non ultima l’elevata densità stellare che la caratterizza.

Nella ricostruzione pittorica sono illustrate le fasi dell’interazione tra la galassia M32p e la galassia di Andromeda. L’incontro sfocia nella creazione di un gigantesco alone stellare in Andromeda e nel pesante ridimensionamento dell’altra galassia, trasformata nell’attuale M32. Crediti: Richard D'Souza. Immagine di M31 per gentile concessione di Wei-Hao Wang; immagine dell’alone stellare di M31 per gentile concessione AAS / IOP. Fonte: https://news.umich.edu/the-milky-ways-long-lost-sibling-finally-found/

«Gli astronomi stanno studiando il Gruppo Locale, la Via Lattea, Andromeda e i loro satelliti da molto tempo – ha osservato Eric Bell – ed è stato scioccante rendersi conto che la nostra Galassia aveva un fratello maggiore e che noi non ne avevamo mai saputo nulla. La stessa galassia di Andromeda, poi, con una spettacolare accensione di nuove stelle, ci sarebbe apparsa molto diversa 2 miliardi di anni fa.» Abituati a osservare imponenti interazioni galattiche a milioni di anni luce da noi, fa comunque un certo effetto constatare che anche a casa nostra e in una delle galassie a noi più vicine vi siano tracce di un tormentato e devastante passato. Opportunamente decifrate potrebbero offrirci la chiave per riuscire a comprendere il complesso percorso evolutivo delle galassie.

 

Per approfondire:
1 V. Belokurov et al. – Co-formation of the disc and the stellar halo. Partendo dall’analisi di un campione di stelle del catalogo di Gaia si descrivono le caratteristiche dinamiche dei dintorni del Sole. Le simulazioni, poi, portano gli autori a concludere che l’alone interno della Via Lattea è riconducibile a un evento molto antico con una galassia di massa significativa. https://arxiv.org/pdf/1802.03414.pdf
2 Alis Deason et al. – Apocenter pile-up: origin of the stellar halo density break. Gli autori sottolineano che i detriti stellari creati nell’evento sono caratterizzati da apocentri molto simili e sono i responsabili della brusca interruzione dell’alone stellare. https://arxiv.org/pdf/1805.10288.pdf
3 GyuChul Myeong et al. – The "Sausage" globular clusters. Si analizzano le proprietà dinamiche di una decina di ammassi globulari e si dimostra che le loro caratteristiche, che li distinguono dagli altri ammassi della Via Lattea, sono riconducibili all’evento di fusione che ha originato Gaia Sausage. https://arxiv.org/pdf/1805.00453.pdf
4 GyuChul Myeong et al. – The Milky Way halo in action space. L’analisi dinamica di oltre 62 mila stelle dell’alone galattico locale conduce gli autori a trovare le prove di questa antica fusione e l'esistenza di un grande getto retrogrado di detriti. https://arxiv.org/pdf/1802.03351
5 GyuChul Myeong et al. – Discovery of new retrograde substructures: the shards of Omega Centauri? Gli autori discutono in dettaglio la provenienza del getto retrogrado ipotizzando che si possa trattare di materiale strappato dall’anomalo ammasso globulare di Omega Centauri in occasione di una massiccia fusione. https://arxiv.org/pdf/1804.07050.pdf

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