TUTTA COLPA DEL MERGER GALATTICO

Supernovae vagabonde

Qual è l'origine delle supernovae osservate al di fuori dei propri confini galattici? Secondo uno studio pubblicato su Monthly Notices, coppie di buchi neri supermassicci potrebbero aver fornito una sorta di “rampe di lancio gravitazionali” per scaraventare nello spazio intergalattico le stelle binarie da cui si originarono le supernovae

Che succede quando si trova qualcosa nel posto sbagliato e nel momento sbagliato? È una domanda a cui gli astronomi stanno cercando di dare una risposta dopo aver trovato diverse stelle esplose osservate al di fuori dei confini delle galassie dove risiede la maggior parte delle stelle. Queste supernovae un po’ “capricciose” hanno inoltre confuso gli astronomi poiché sono esplose miliardi di anni prima rispetto alla fase di detonazione prevista dai modelli dell’evoluzione stellare. Oggi, però, grazie all’analisi dei dati forniti dagli archivi di diversi telescopi, tra cui quello del telescopio spaziale Hubble, gli scienziati hanno sviluppato un modello che tenta di spiegare da dove provengono queste stelle predestinate e come sono giunte nelle loro attuali posizioni. Secondo questo scenario, un tempo le supernovae facevano parte di sistemi stellari binari che vagavano molto vicini ad una coppia di buchi neri supermassicci presenti nel nucleo di una galassia generata dal processo di fusione (merging) di due galassie che, a sua volta, espulse le stelle al di fuori delle rispettive galassie. L’interazione gravitazionale attirò sempre più vicino le due stelle accelerando il processo di fusione della coppia. Alla fine, le stelle si avvicinarono abbastanza al punto da produrre una supernova. I risultati di questo studio sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Gli scienziati sono stati da sempre affascinati da quelle esplosioni stellari peculiari osservate al di fuori dei confini galattici. Uno studio recente che riguarda 13 supernovae, analizzate grazie all’utilizzo di dati forniti da diversi archivi, tra cui quello prodotto dal telescopio spaziale Hubble, sta aiutando i ricercatori a spiegare come alcune stelle giovani siano esplose in un posto solitario e distante dalle rispettive galassie, molto prima di quanto aspettato. Si tratta di un mistero che ebbe inizio quando 15 anni fa venne scoperta la prima di questa classe di supernovae e che riguarda proprio i sistemi stellari binari, le galassie che si trovano nella fase di fusione e le coppie di buchi neri. “Questa storia ci ha portato su una strada contorta e ogni volta rimanevo molto sorpreso da ciò che trovavamo”, spiega Ryan Foley dell’University of Illinois at Urbana-Champaign e autore dello studio. “Eravamo a conoscenza del fatto che queste stelle dovevano trovarsi molto lontane dalla loro ‘casa’ perciò il nostro scopo era quello di capire in che modo le stelle sono arrivate nelle loro attuali posizioni”.

Queste immagini di Hubble mostrano due galassie ellittiche in cui si notano delle righe di polvere scure che rappresentano una chiara evidenza di un recente merger galattico. La polvere è l’unico prodotto residuo di una galassia più piccola che è stata consumata da una galassia ellittica più grande. La “X” indica la posizione delle supernovae che sono associate alle galassie. Queste supernovae vagabonde sono posizionate a diverse distanze dalle rispettive galassie: in questi due casi, SN 2000ds (a sinistra) si trova ad almeno 12.000 anni luce da NGC 2768, che dista 75 milioni di anni luce; SN 2005cz (a destra) si trova a circa 7.000 anni luce da NGC 4589, che dista 108 milioni di anni luce. Entrambe le galassie sono state osservate con la Advanced Camera for Surveys a bordo del telescopio spaziale Hubble. In particolare NGC 4589 è stata ripresa nel 2006 e NGC 2768 nel 2002. Credit: NASA, ESA, e R. Foley (University of Illinois)

Secondo Foley, queste stelle predestinate all’esplosione sono migrate in qualche modo verso le loro posizioni finali. Per verificare la sua idea, lo scienziato ha analizzato i dati del Lick Observatory in California e del W. M. Keck Observatory e del Subaru Telescope, entrambi situati nelle Hawaii, per determinare la velocità con cui si sono propagate le stelle nello spazio. Con grande sorpresa, Foley ha scoperto che le stelle hanno viaggiato insieme con circa la stessa velocità, ossia 7 milioni di chilometri all’ora, così come per le stelle che sono state espulse dalla Via Lattea dal buco nero centrale. Successivamente, lo scienziato ha studiato quelle galassie che si trovano nell’area di cielo in cui sono state osservate le supernovae. Analizzando attentamente le immagini dell’archivio dei dati di Hubble, Foley ha potuto confermare che la maggior parte di esse sono galassie ellittiche massive che hanno subito in passato un processo di fusione o che si sono fuse di recente con altre galassie. Le immagini hanno fornito delle evidenze circostanziali di tali collisioni galattiche mostrando come nei nuclei di molte galassie i buchi neri supermassicci sono alimentati dal processo dell’interazione gravitazionale. Ma l’indizio più importante è la presenza di righe di polvere ben marcate che attraversano le regioni centrali delle galassie e che rappresentano i resti del “cannibalismo galattico”. Inoltre, è stato notato che molte galassie risiedono in ambienti più densi, nel cuore cioè degli ammassi di galassie, un luogo ideale per far partire i processi di fusione. “La posizione delle supernovae in relazione alle galassie più vecchie indica che anche le stelle in origine dovevano essere vecchie”, dice Foley. “E se le stelle erano vecchie, allora devono aver avuto delle compagne che hanno fornito loro abbastanza materiale da causare l’esplosione stellare”.

La domanda è: come fa un sistema stellare binario a sfuggire alla gravità della propria galassia? Foley ha ipotizzato che una coppia di buchi neri supermassicci nelle galassie in fase di fusione potrebbe aver fornito una sorta di “rampa di lancio gravitazionale” per scaraventare nello spazio intergalattico le stelle binarie. Partendo dal fatto che le osservazioni di Hubble hanno permesso di rivelare che quasi ogni galassia è dotata di un buco nero supermassiccio nel suo nucleo, secondo lo scenario di Foley una volta che due galassie arrivano alla fusione, i rispettivi buchi neri migrano verso il centro della nuova galassia, ognuno dei quali si trascina con sé un ammasso di stelle. Man mano che i buchi neri “danzano” l’uno attorno all’altro, avvicinandosi lentamente, una delle stelle binarie che fa parte dell’entourage dei buchi neri può avvicinarsi molto all’altro buco nero. In questa situazione, numerose stelle saranno scaraventate lontano e quelle espulse che sopravvivono ancora nei sistemi binari orbiteranno ancora più vicine dopo la collisione, accelerando così il processo di fusione. “Con un singolo buco nero, può accadere che una stella si avvicini molto al punto da subire una forte attrazione gravitazionale”, dice Foley. “Ma se abbiamo due buchi neri, ci sono due insiemi di stelle che vengono trascinate in prossimità dell’altro buco nero. Ciò incrementa in maniera drammatica la probabilità che una stella possa essere scaraventata nello spazio”. Ora, mentre per Sagittarius A*, il buco nero al centro della Via Lattea, è stato calcolato che può espellere una stella al secolo, una coppia di buchi neri supermassicci può scagliare nello spazio circa 100 stelle all’anno.

Questa illustrazione mostra uno scenario plausibile che descrive come stelle vagabonde siano diventate supernovae al di fuori dei propri confini galattici. 1) Una coppia di buchi neri si avvicina durante un merger galattico, ognuno dei quali trascina con sé circa un milione di stelle. 2) Un sistema stellare binario si approssima molto vicino alla coppia di buchi neri. 3) L’interazione gravitazionale dovuta ai due buchi neri catapulta le stelle al di fuori della galassia. Allo stesso tempo, le stelle si avvicinano. 4) Una volta espulse dalla galassia, le stelle binarie si muovono ancora più vicine man mano che l’energia orbitale viene persa dalla coppia sotto forma di onde gravitazionali. 5) Alla fine, le stelle raggiungono una distanza minima tale che una delle due stelle viene distrutta dalle intense forze di marea. 6) Man mano che il materiale della stella distrutta rimbalza rapidamente sulla stella compagna ancora in vita, avviene l’esplosione stellare che dà luogo alla supernova. Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries and A. Feild (STScI)

Dunque, una volta abbandonata la galassia, le stelle binarie si muovono più vicine man mano che le loro orbite continuano ad accelerare. Ciò fa sì che anche il processo di evoluzione stellare, in termini di età delle singole stelle, venga a sua volta accelerato perciò è plausibile che le stelle binarie diventino alla fine entrambe nane bianche. Queste ultime continuano ad avvicinarsi sempre più al punto tale che una viene distrutta dalle intense forze di marea. In questo modo, il materiale della stella ormai defunta rimbalza rapidamente sulla compagna sopravvissuta il che provoca un’esplosione che dà luogo alla supernova. Il tempo, però, che necessita una di queste stelle espulse per esplodere è relativamente breve, circa 50 milioni di anni, anche se, normalmente, tali sistemi binari richiedono un tempo più lungo per fondersi, forse ancora più lungo dell’età dell’Universo. “E’ l’interazione con i buchi neri che accorcia il periodo durante il quale avviene la fusione”, aggiunge Foley.

Insomma, se da un lato gli scienziati ritengono di aver trovato le cause che producono queste particolari supernovae, dall’altro alcuni misteri rimangono ancora irrisolti, come ad esempio il fatto che esse appaiono stranamente molto deboli. In più, è stato notato che tali supernovae producono una quantità di calcio più di cinque volte superiore rispetto alle supernovae “ordinarie”. Di solito, le esplosioni stellari generano una enorme quantità di energia che crea elementi più pesanti, come il ferro, il nickel, a spese della produzione del più leggero calcio. Tuttavia, per queste esplosioni stellari atipiche, la catena di fusione si arresta a metà strada, il che lascia una grande quantità di calcio e molto poco ferro. “Tutti gli indizi ci portano ad vere una esplosione debole. Sappiamo che tali esplosioni hanno una energia cinetica più bassa e una luminosità inferiore rispetto alle classiche supernovae. Inoltre, esse espellono una quantità di massa inferiore quando invece le esplosioni più energetiche potrebbero distruggere completamente la stella”, conclude Foley.

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