LO STUDIO SU ASTRONOMY & ASTROPHYSICS

Orologi chimici sì, ma con cautela

Gli orologi chimici, un metodo molto recente utilizzato per datare l'età delle stelle, non sono utilizzabili in modo uniforme per l’intera Via Lattea, come invece si pensava. Lo mostra uno studio guidato da Giada Casali, dottoranda all'Università di Firenze, al quale hanno preso parte numerosi ricercatori dell‘Inaf

     05/08/2020
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La Via Lattea e il Telescopio nazionale Galilaeo. Crediti: Giovanni Tessicini/Inaf

La determinazione dell’età delle stelle è una delle più grandi sfide dell’astronomia anche in epoca moderna e rappresenta uno dei tasselli mancanti nel campo dell’archeologia galattica. La stima dell’età delle stelle è fondamentale per capire come la Via Lattea si sia formata ed evoluta nel tempo e – al contrario di altre quantità stellari come la massa, la distanza, il colore o la composizione chimica – non può essere misurata direttamente.

Gli orologi chimici – o chemical clocks – rappresentano uno dei metodi alternativi per la stima dell’età stellare: stima basata su rapporti di abbondanza chimica fortemente dipendenti, appunto, dall’età. Lo stesso team internazionale di ricercatori che, circa un anno fa (Media Inaf ne aveva parlato qui), aveva sviluppato il metodo degli orologi chimici basato sul rapporto tra carbonio e azoto – legati all’evoluzione stellare – è ora riuscito a fare il punto su un quesito fondamentale rimasto in sospeso: gli orologi chimici sono utilizzabili in modo uniforme e omogeneo in tutta la Via Lattea?

In breve: la risposta è no. La conferma della non universalità delle relazioni di datazione basate sui chemical clocks legati all’evoluzione chimica galattica è il principale risultato del nuovo studio – pubblicato alla fine di luglio su Astronomy & Astrophysics – guidato da Giada Casali, dottoranda di ricerca all’Università di Firenze, e sotto la guida dell’Inaf di Arcetri. Studio al quale hanno partecipato numerosi scienziati delle sedi di Arcetri, Roma, Bologna e Padova dell’Istituto nazionale di astrofisica.

La scoperta risulta sorprendente perché, dagli studi precedenti, sembrava possibile trovare le relazioni tra le abbondanze chimiche e le età stellari che fossero utilizzabili in modo uniforme nella nostra galassia. Ma sembra proprio che non sia così. L’idea alla base degli orologi chimici era trovare una relazione che valesse universalmente in tutta la Via Lattea e che permettesse di stimare l’età delle stelle misurando semplicemente la loro composizione chimica, solo che le cose si sono rivelate molto più complicate.

Diagramma di Hertzsprung-Russell di ammassi stellari aperti, osservati con il satellite europeo Gaia. Sullo sfondo: l’ammasso aperto NGC 3293. Crediti: Gaia data – ESA/Gaia/DPAC- ESO/G. Beccari.

Ma come funzionano gli orologi chimici? In teoria, osservando lo spettro di una stella e misurando il rapporto di abbondanza chimica – nella sua fotosfera – tra elementi prodotti più velocemente quando la Via Lattea era molto giovane (dunque da stelle massicce e di breve vita) ed elementi prodotti lentamente in tempi più recenti (da stelle di piccola massa che vivono a lungo), è possibile ripercorrere la storia della stella e stimarne l’età. La composizione della fotosfera di una stella rimane infatti invariata per la maggior parte degli elementi, quindi contiene informazioni sulla composizione del gas da cui si è formata.

Gli orologi chimici sono relazioni empiriche che legano questi rapporti di abbondanza chimica all’età delle stelle, usando come calibratori stelle di cui conosciamo con accuratezza composizione chimica ed età. Questi calibratori possono essere stelle che hanno parametri atmosferici (temperatura e gravità superficiali) molto simili a quelli del Sole, e per questo si parla di stelle di tipo solare. Gli orologi chimici, calibrati con le stelle simili al Sole che si trovano nell’intorno solare, funzionano bene per le stelle di campo vicino al Sole, ma il recente studio ha messo in evidenza che la situazione potrebbe essere molto più complicata se ci allontaniamo dai pressi del Sole verso il centro galattico.

La tecnica classicamente utilizzata per la determinazione delle età delle stelle è detta del confronto con le isocrone, in cui si paragonano i dati osservativi – ovvero le magnitudini e colori delle stelle – ai modelli teorici. Scegliendo poi il modello che meglio riproduce le osservazioni, si può stimare l’età stellare.

I dati che hanno portato ai risultati di questo studio costituiscono il più grande campione esistente di stelle simili al Sole. Si tratta di spettri ottenuti con lo strumento Harps, considerato il più grande “cacciatore di esopianeti” da terra, installato al telescopio da 3,6 metri di diametro all’Osservatorio Eso di La Silla, in Cile.

Dall’analisi spettrale sono state ricavate età e composizione chimica, e a seguire le relazioni tra i rapporti delle abbondanze chimiche e le età, i cosiddetti orologi chimici. In particolare, sono state utilizzate le relazioni che legano il rapporto di abbondanza ittrio/magnesio (Y/Mg) all’età, relazioni che poi sono state validate con stelle appartenenti a un gruppo di ammassi aperti osservati dalla Gaia-Eso survey, con età indipendenti e molto precise.

In particolare è stato osservato che per una data età si riscontra una minore abbondanza di ittrio (Y) nelle regioni interne del disco galattico rispetto allo stesso elemento misurato nell’intorno solare. Ciò significa che gli orologi chimici nell’intorno solare non possono essere estesi alle stelle o agli ammassi stellari in regioni lontane dal Sole.

La differenza è con tutta probabilità dovuta a una diversa storia di formazione stellare in diverse parti del disco galattico. Le regioni interne si sono formate più rapidamente delle regioni esterne, producendo quantità diverse di elementi in epoche diverse. Il risultato è in accordo con lo scenario cosiddetto inside-out per la formazione della nostra galassia, per il quale le regioni interne si sono formate con un tasso di formazione stellare più alto e in una scala temporale più breve, al contrario delle regioni esterne.

Giada Casali (Univ. Firenze e Inaf Arcetri)

«Confrontando le età di stelle simili al Sole in base alle loro proprietà già note con i rapporti di abbondanza chimica di particolari elementi», spiega Casali, prima autrice dello studio, «ci aspettavamo che la relazione età/abbondanze chimiche funzionasse ovunque nella nostra galassia. Abbiamo invece notato con sorpresa che in stelle lontane dal Sole, in direzione del centro galattico, a parità di età delle stelle l’abbondanza di ittrio era inferiore. Questo fatto poteva significare una cosa sola: che il metodo degli orologi chimici non è applicabile allo stesso modo in tutta la Via Lattea. Questo risultato indica che gli astronomi devono porre molta attenzione quando applicano relazioni tra età e composizione chimica: queste non sono infatti universali e non possono essere traslate semplicemente dalle zone circostanti al Sole ad altre regioni».

Un ulteriore obiettivo dello studio era, viceversa, risalire alle composizioni chimiche di stelle per cui invece era già nota l’età, e ancora una volta i dati ottenuti con la survey Gaia-Eso si sono rivelati indispensabili. La survey Gaia-Eso è una campagna osservativa spettroscopica condotta da terra che ha come obiettivo principale la comprensione dei meccanismi di formazione e evoluzione della nostra galassia e dei suoi componenti, con la classificazione di circa centomila stelle. Con Gaia-Eso è stato possibile raccogliere il più accurato database di abbondanze chimiche di stelle di tutte le componenti della Via Lattea, di fatto al momento l’unica galassia in cui possiamo datare con precisione stelle singole, e per fare ciò sono state necessarie oltre 300 notti di osservazione a uno dei quattro telescopi da otto metri di diametro del Vlt (Very Large Telescope, Eso), in Cile.

In futuro, gli scienziati potranno andare più a fondo nella relazione tra le abbondanze dei vari elementi chimici nelle stelle e la loro distanza dal centro della galassia usando gli ammassi stellari aperti come riferimento per la calibrazione delle misure – in particolare quando, oltre ai dati Gaia-Eso e Apogee, saranno disponibili le osservazioni dell’Extremely Large Telescope (Elt) di Eso. Elt ci permetterà di risolvere stelle in altre galassie – e di vedere i loro spettri – con lo stesso dettaglio con cui ora osserviamo le stelle della Via Lattea. A quel punto sarà possibile estendere le nostre conoscenze ad ambienti differenti e ancora più lontani.

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