Ricostruzione visiva della Via Lattea, con la localizzazione dell’ammasso Westerlund 1 e del Sole. Crediti: Nasa Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab
Grazie alla combinazione delle osservazioni di due osservatori per raggi gamma da terra e dallo spazio a diverse lunghezze d’onda, sono state identificate le prime evidenze osservative di un flusso di particelle energetiche – i raggi cosmici – proveniente da Westerlund 1, l’ammasso stellare giovane più massiccio e luminoso noto nella Via Lattea. Le osservazioni indicano che particelle cariche vengono accelerate nelle immediate vicinanze dell’ammasso e successivamente trasportate lungo una struttura di deflusso (outflow) ancora in fase iniziale. In prospettiva, questo outflow potrebbe generare un canale capace di convogliare i raggi cosmici dal disco galattico verso l’alone della Via Lattea, un processo ritenuto importante per l’evoluzione delle galassie ma finora supportato da scarse evidenze osservative dirette.
Lo studio è stato pubblicato il 9 dicembre su Nature Communications da un team internazionale di scienziati di cui fa parte anche Giada Peron dell’Istituto nazionale di astrofisica.
Gli ammassi stellari rivestono un ruolo fondamentale nelle galassie: sono i luoghi in cui nascono nuove stelle e spesso ospitano stelle massicce, con masse anche superiori a dieci volte quella del Sole. Queste stelle generano intensi venti stellari, la cui azione combinata può scavare vaste cavità nel mezzo interstellare, note come superbolle. Tra i numerosi ammassi stellari della Via Lattea, Westerlund 1 si distingue in modo particolare: situato a circa 13mila anni luce da noi, è l’ammasso stellare più massiccio e più luminoso della nostra galassia, e rappresenta quindi un laboratorio ideale per lo studio dei processi energetici legati alla formazione stellare.
Oltre a essere siti di formazione stellare, gli ammassi giovani e massicci sono noti anche per produrre particelle altamente energetiche, i raggi cosmici. Poiché queste particelle cariche vengono deviate dai campi magnetici galattici, la loro origine non può essere tracciata direttamente; per questo gli astronomi studiano la radiazione gamma ad alta energia generata quando i raggi cosmici interagiscono con l’ambiente circostante.
Giada Peron, ricercatrice dell’Inaf di Arcetri. Crediti: Inaf
«Si tratta del primo esempio osservativo di un deflusso di particelle da un ammasso stellare verso l’alone galattico. Un fenomeno di questo tipo era stato previsto da modelli teorici e indirettamente suggerito da osservazioni precedenti, ma non era mai stato identificato in modo così chiaro. Abbiamo potuto chiarire il legame tra l’emissione ad altissima energia e quella a energie più basse, mostrando che gli ammassi stellari potrebbero avere un ruolo chiave non solo nell’accelerazione dei raggi cosmici, ma anche nel loro trasporto al di fuori del disco della nostra galassia» sottolinea Peron, ricercatrice all’Inaf di Arcetri e coautrice dello studio.
In precedenza, utilizzando i telescopi Hess (High Energy Stereoscopic System), gli scienziati avevano già individuato radiazione gamma di energia estremamente elevata, nell’intervallo dei teraelettronvolt (TeV, migliaia di miliardi di eV), proveniente dalle vicinanze di Westerlund 1, identificando l’ammasso come un potente acceleratore di particelle. L’emissione TeV appare come una struttura ad anello attorno all’ammasso ed è interpretata come il risultato dell’accelerazione dei raggi cosmici in un fronte d’urto, il cosiddetto termination shock, formato dal vento collettivo delle stelle massicce. Questa struttura presenta tuttavia una “coda” che si estende in una direzione, finora priva di una spiegazione convincente.
Analizzando i dati del telescopio spaziale Fermi, sensibile a energie più basse (gigaelettronvolt, GeV), il team ha individuato una nuova sorgente di raggi gamma, spazialmente spostata rispetto all’emissione TeV proprio nella direzione della coda, a una distanza di circa 320 anni luce dall’ammasso. La continuità spaziale tra le due emissioni suggerisce un’origine comune. Un’analisi del mezzo interstellare, basata sull’emissione della riga a 21 cm dell’idrogeno, ha inoltre evidenziato una regione a bassa densità di gas in coincidenza con la nuova sorgente gamma, compatibile con l’ipotesi di un deflusso di materiale che si allontana dal piano galattico.
Mappa del cielo che mostra la nuova sorgente di raggi gamma J1654–467, che si ritiene provenga da un deflusso dall’ammasso stellare Westerlund 1 (posizione contrassegnata dal simbolo della stella). Crediti: Lemoine-Goumard et al. 2025
«L’emissione delle particelle in uscita emerge dall’analisi congiunta dei dati di Fermi-Lat e Hess: mentre Hess aveva già rivelato l’emissione ad altissima energia associata all’ammasso, con Fermi l’associazione non era affatto evidente. È stato proprio il confronto dettagliato tra le due bande energetiche a permetterci di collegare queste componenti apparentemente dislocate», spiega Peron.
La modellizzazione dell’emissione osservata indica che i raggi gamma sono probabilmente prodotti da elettroni cosmici accelerati nei pressi di Westerlund 1 e successivamente diffusi lungo il deflusso. Gli elettroni più energetici emettono raggi gamma vicino all’ammasso, mentre quelli meno energetici possono viaggiare più lontano prima di produrre l’emissione osservata da Fermi.
Secondo i ricercatori, questi elettroni sono accompagnati anche da protoni e nuclei atomici più pesanti, che costituiscono la componente principale dei raggi cosmici. Nel tempo, il deflusso potrebbe estendersi fino a fuoriuscire dal disco galattico, aprendo una via preferenziale per il trasporto di raggi cosmici verso l’alone della Via Lattea.
Lo studio fornisce quindi la prima indicazione osservativa di un meccanismo di questo tipo associato a un giovane ammasso stellare massiccio e suggerisce che deflussi di particelle potrebbero essere un fenomeno comune in ambienti simili. Poiché il trasporto dei raggi cosmici dal disco all’alone galattico è considerato un elemento chiave nei modelli di evoluzione delle galassie, i risultati hanno implicazioni che vanno oltre il singolo caso di Westerlund 1.
In futuro, osservazioni di altri ammassi giovani e massicci, anche con strumenti di nuova generazione come il Cherenkov Telescope Array Observatory, saranno fondamentali per stabilire se Westerlund 1 rappresenti un caso peculiare o un esempio di un processo diffuso nella Via Lattea.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Communications l’articolo “A cosmic-ray loaded nascent outflow driven by a massive star cluster”, di Marianne Lemoine-Goumard, Lucia Härer, Lars Mohrmann, Romain Bernet, Jim Hinton, Giada Peron, Brian Reville, Luigi Tibaldo e Thibault Vieu