UN FLUSSO STELLARE CHE NON DOVREBBE ESISTERE

Stelle d’altri tempi

Un team internazionale di astronomi ha scoperto i resti di un antico insieme di stelle che più di due miliardi di anni fa è stato distrutto dalla nostra galassia. Il contenuto di elementi chimici pesanti nel flusso stellare scoperto è nettamente inferiore rispetto ai valori osservati nell’universo locale: talmente basso che gli scienziati pensavano che un oggetto così non potesse più esistere

     29/07/2020
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Rappresentazione artistica del flusso stellare della Fenice. Originariamente una “palla di stelle”, nota come ammasso globulare, la Fenice è stata stirata in un flusso di stelle dall’attrazione gravitazionale della Via Lattea. Nell’arco di pochi miliardi di anni, la Fenice sarà completamente distrutta e assorbita nella nostra galassia. Crediti: Geraint F. Lewis and the S5 collaboration

Siamo figli delle stelle. Nulla di più vero, in astronomia. Siamo figli di una nube molecolare che mantiene la memoria delle generazioni di stelle che hanno preceduto il Sole, e che hanno contribuito a creare l’ambiente nel quale il Sistema solare, e dunque la Terra e i suoi esseri viventi si sono formati. Come? Innanzitutto arricchendo l’ambiente – nel quale sono nate, evolute e si sono spente – dei prodotti delle loro reazioni nucleari interne. Partendo da idrogeno ed elio, i due elementi chimici primordiali di maggiore abbondanza che hanno dato vita alla prima generazione di stelle, le reazioni nucleari delle stelle hanno contribuito a formare elementi come il carbonio, l’ossigeno, il calcio e il fosforo – costituenti fondamentali, ad esempio, delle nostre ossa.

Anche gli ammassi globulari, vecchi agglomerati sferici di stelle che popolano l’alone di galassie come la  nostra, portano la loro attendibile testimonianza dell’evoluzione dell’ambiente galattico nella composizione chimica delle loro stelle. Quella che in gergo astrofisico viene definita metallicità.

Studiando la composizione chimica di un vasto campione di ammassi globulari della Via Lattea – che ne ospita circa 150 – e di galassie vicine alla nostra, nell’universo locale, gli astronomi hanno notato che la loro percentuale di metalli non scende mai al di sotto di una certa soglia: una sorta di valore limite corrispondente a circa lo 0.3-0.4 per cento del valore di metallicità del Sole.

Un articolo pubblicato oggi su Nature riporta invece la scoperta di una corrente di stelle nella costellazione della Fenice la cui metallicità è di molto inferiore al valore limite minimo osservato – e misurato in termini di rapporto fra le abbondanze di ferro e idrogeno – andandosi a posizionare in una zona finora inesplorata e ritenuta non popolabile.

Gli scienziati hanno osservato il flusso stellare della Fenice con il telescopio anglo-australiano (Aat) all’interno del programma osservativo S5 (Southern Stellar Streams Spectroscopic Survey), misurando la cinematica e l’abbondanza chimica dagli spettri di tutte le stelle.

La misura del rapporto fra l’abbondanza di ferro e idrogeno nel flusso stellare osservato ha rivelato un valore sostanzialmente inferiore rispetto al valore limite empirico. Questo valore suggerisce, secondo gli autori, che il progenitore fosse una popolazione stellare non arricchita di elementi pesanti, e dunque molto antica. Le dimensioni sottili in termini di larghezza sul piano del cielo e la piccola dispersione di velocità delle stelle nel flusso della Fenice riducono a due i candidati progenitori: un ammasso globulare di bassa luminosità o una galassia nana ultradebole. Nessun altro tipo di sistema conosciuto avrebbe infatti valori di dimensione e massa stellare tanto piccoli. Una proprietà chiave che distingue queste due classi di oggetti, spiegano gli autori dello studio, è la dispersione nei valori di metallicità delle stelle: essa è zero per tutti gli ammassi globulari tranne per i più luminosi. È esattamente nullo il valore trovato per questa grandezza nello studio, facendo propendere con un grado di confidenza elevato la scelta dei ricercatori verso il progenitore ammasso globulare.

«Questo flusso proviene da un ammasso che, per quanto ne sappiamo, non sarebbe dovuto esistere», dice Daniel Zucker, professore associato presso l’università di Macquarie e coautore dello studio.

La ragione per cui la scoperta suscita tanto sconcerto è il fondamento teorico attribuito dagli scienziati alla presenza del limite di metallicità osservato: la cosiddetta relazione massa-metallicità. Le galassie crescono attraverso l’accrescimento di gas e di altre galassie, e contemporaneamente si auto-arricchiscono in metalli, creando una naturale correlazione tra massa e metallicità.

A redshift maggiore di due, quando l’universo aveva poco più di 3 miliardi di anni, le galassie che formavano stelle con un contenuto di metalli pari al limite osservato nell’universo locale avevano una massa di circa uno-dieci milioni di volte la massa del Sole (la Via Lattea ha una massa intorno ai mille miliardi di volte la massa del Sole). Secondo i modelli teorici, galassie con una massa inferiore, e di conseguenza una metallicità inferiore, hanno formato ammassi globulari con un tempo di vita insufficiente per osservarli così a lungo, originando appunto un limite osservativo nella metallicità.

«Siamo stati davvero sorpresi di constatare che il flusso stellare della Fenice ha una metallicità così bassa, caratteristica che lo rende completamente diverso a tutti gli altri ammassi globulari della galassia», dice Zen Whan, dottorando dell’università di Sidney e primo autore dello studio. «Anche se l’ammasso è stato distrutto miliardi di anni fa, possiamo ancora dire che si è formato nell’universo primordiale dalla composizione delle sue stelle.»

Rappresentazione artistica del sottile flusso di stelle, attorno alla Via Lattea (a sinistra), strappate dall’ammasso globulare della Fenice. Gli astronomi si sono concentrati sulle stelle giganti rosse (a destra) per misurare la composizione chimica dell’ammasso globulare distrutto della Fenice. Crediti: James Josephides, Swinburne Astronomy

Sebbene potenzialmente numerosa in passato – data la composizione chimica povera in elementi pesanti – una popolazione di ammassi globulari con queste caratteristiche dovrebbe infatti essere stata completamente distrutta dalle forze gravitazionali della Via Lattea, che avrebbe assorbito le stelle del sistema stellare nel suo corpo principale, disperdendole. La diretta conseguenza di ciò è che anche il flusso stellare osservato è un fenomeno temporaneo, che si dissiperà nel tempo.

A oggi, comunque, non c’è ancora una spiegazione chiara per le origini dell’ammasso progenitore del flusso stellare della Fenice, e la scoperta fa sorgere numerosi dubbi circa le teorie di formazione degli ammassi globulari e il loro ruolo nell’evoluzione delle galassie.

Il capo del team S5, il ricercatore Ting Li del Carnegie Observatories, suggerisce che «una possibile spiegazione è che il flusso della Fenice rappresenti l’ultimo del suo genere, il residuo di una popolazione di ammassi globulari che è nata in ambienti radicalmente diversi da quelli che vediamo oggi».

Si tratterebbe dunque di un fenomeno osservativo unico? «In astronomia, la scoperta di un nuovo tipo di oggetto suggerisce immediatamente la possibilità che ce ne siano altri là fuori», risponde il coautore dello studio Jerey Simpson, dell’università di New South Wales. Mentre gli ammassi globulari come il progenitore del flusso della Fenice possono non esistere più, infatti, i loro resti possono vivere come deboli flussi di stelle come quello trovato.

Secondo gli autori, la prossima domanda da porsi è piuttosto se ci siano altri resti più antichi, avanzi di una popolazione che non esiste più. Trovare altri flussi di questo tipo fornirebbe infatti una nuova chiave di lettura sui fenomeni che accadevano nell’universo primordiale.

In questo senso, l’ammasso della Fenice, invece di essere l’ultimo esemplare di un genere ormai scomparso, potrebbe essere il primo esemplare di una classe di oggetti tutta da scoprire: il telescopio spaziale James Webb giocherà un ruolo chiave nella rivelazione di ammassi globulari in formazione assieme a proto-galassie nell’universo molto giovane e lontano.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo “The tidal remnant of an unusually metal-poor globular cluster”, di Zhen Wan, Geraint F. Lewis, Ting S. Li, Jeffrey D. Simpson, Sarah L. Martell, Daniel B. Zucker, Jeremy R. Mould, Denis Erkal, Andrew B. Pace, Dougal Mackey, Alexander P. Ji, Sergey E. Koposov, Kyler Kuehn, Nora Shipp, Eduardo Balbinot, Joss Bland-Hawthorn, Andrew R. Casey, Gary S. Da Costa, Prajwal Kafle, Sanjib Sharma e Gayandhi M. De Silva