Pensiamo a un alveare: a un primo sguardo, ogni ape sembra identica alle altre per dimensioni, colore e movimenti, come se condividesse esattamente lo stesso progetto. Osservando più da vicino, tuttavia, questa apparente uniformità viene meno e la struttura si suddivide in caste specializzate – operaie, fuchi e una sola regina – ciascuna con caratteristiche fisiche e ruoli distinti all’interno della comunità. Da quasi mezzo secolo, gli astronomi si confrontano con un inganno simile nello spazio profondo. Oggetto di questo mistero sono gli ammassi globulari – enormi e scintillanti sciami composti da fino a un milione di stelle raccolte molto densamente come alveari cosmici e risalenti tutte a oltre dieci miliardi di anni fa.
L’ammasso globulare Omega Centauri ripreso dal telescopio Vst dell’Inaf. Crediti: Eso/Inaf-Vst/OmegaCam. Acknowledgement: A. Grado, L. Limatola/Inaf-Capodimonte Observatory
Per generazioni, i manuali di astronomia hanno insegnato che questi ammassi costituivano l’esempio per eccellenza di “popolazioni stellari semplici”, composte da alcune delle primissime stelle formatesi nella nostra galassia. La regola era chiara: poiché queste stelle erano nate contemporaneamente dalla stessa nube di gas primordiale, dovevano avere la stessa età e la stessa composizione chimica. Ma quando i telescopi moderni hanno iniziato a scrutare all’interno di questi densi sciami stellari, questo quadro di uniformità è crollato, confermando anomalie già riportate negli anni ’70 e ‘80. Gli astronomi hanno infatti scoperto che le stelle presenti in quasi tutti i circa 150 ammassi della nostra galassia si suddividono in almeno due sottoclassi chimiche distinte. Si è quindi cominciato a parlare di una “prima popolazione”, la cui composizione chimica rispecchia perfettamente quella delle normali stelle presenti altrove nella nostra Via Lattea, e di una “seconda popolazione” altamente anomala e inattesa. Quest’ultima presenta infatti firme chimiche bizzarre e del tutto peculiari: le stelle sembrerebbero fortemente impoverite di carbonio e al tempo stesso ricche di azoto, un’impronta caratteristica riscontrata quasi esclusivamente in questi ambienti ad alta densità stellare.
Per spiegare questa dualità, gli astronomi hanno elaborato scenari complessi e modelli che ipotizzavano che, durante la formazione dell’ammasso, una generazione iniziale di stelle massicce avesse agito in modo molto simile a un’ape regina che regola l’ambiente dell’alveare. Secondo l’ipotesi, queste stelle, dalla vita breve, avrebbero contaminato la nube di gas circostante con materiale chimicamente alterato di propria produzione, e da questa eredità profondamente modificata sarebbe nata una seconda generazione di stelle. Il principale ostacolo di questo scenario, però, è che tutto avrebbe dovuto avvenire in meno di cento milioni di anni – un semplice battito di ciglia sulle scale temporali cosmiche. Il risultato è che nessuno degli attuali scenari di arricchimento chimico attraverso “generazioni multiple” si adatta completamente ai dati osservativi.
In un nuovo studio pubblicato oggi su Astronomy & Astrophysics, un gruppo di scienziati italiani, guidato da Yazan Momany dell’Inaf di Padova, ha proposto uno scenario innovativo e fuori dagli schemi: invece di raccogliere ulteriori dati sulle presunte prima e seconda generazione di stelle negli ammassi lontani – dati che sembravano aggiungere soltanto nuovi livelli di complessità – il gruppo ha rivolto lo sguardo al laboratorio celeste più vicino a nostra disposizione: il Sole. Seguendo l’evoluzione globale del campo magnetico solare nell’arco di diversi decenni, i ricercatori hanno individuato una proprietà che potrebbe fornire un’interpretazione alternativa delle caratteristiche osservative degli ammassi globulari.
«Questo studio si è sviluppato come una vera e propria indagine investigativa», racconta a Media Inaf Momany. «Nel 2020, il nostro gruppo aveva pubblicato un lavoro sulla scoperta di gigantesche “macchie stellari brillanti” (non scure, come quelle che osserviamo di solito sul Sole) su un particolare tipo di stelle negli ammassi globulari, le stelle del ramo orizzontale estremo. Inizialmente, lavorando in ambito stellare, non avevamo collegato che queste macchie brillanti corrispondessero a ciò che in fisica solare vengono chiamate “facole” (faculae), sulle quali esiste una letteratura sterminata. Ci siamo imbattuti in questo nesso per pura serendipità, approfondendo la letteratura solare. Il momento eureka è arrivato quando abbiamo realizzato che le proprietà chiave delle facole solari – l’essere regioni calde, povere di carbonio e con una maggiore luminosità nella banda G – coincidono esattamente con i tratti distintivi delle stelle “anomale” (la cosiddetta seconda popolazione) negli ammassi globulari. Da questa intuizione è nato il nostro lavoro, che costruisce un ponte analogico tra le proprietà magnetiche delle facole solari e molte delle anomalie riscontrate negli ammassi».
Simone Zaggia (sinistra) e Yazan Momany (destra) dell’Inaf di Padova davanti a un modello del Sole al museo di storia naturale di Abu Dhabi. Crediti: Simone Zaggia
Il metodo adottato dagli autori per stabilire questo ponte fra le proprietà del Sole e quelle degli ammassi è noto come paradigma “Sole come stella” (Sun-as-a-star). Questo approccio permette, intenzionalmente, di fare zoom out e osservare il Sole come se lo vedessimo da lontano, concentrandosi sulla sua luce integrata, proprio come fosse una stella di un ammasso globulare. Così facendo hanno notato che il ciclo magnetico solare di 11 anni, che oscilla regolarmente tra un minimo tranquillo e poco attivo e un massimo di intensa attività, modifica sistematicamente le caratteristiche chimiche della sua superficie solare, stabilendo un parallelismo con le due misteriose popolazioni degli ammassi globulari. In particolare, durante il minimo solare (lo stato tranquillo) lo spettro solare integrato appare perfettamente normale, stabile e relativamente ricco di carbonio; durante il massimo solare (lo stato attivo), quando il motore magnetico globale si intensifica, la firma chimica apparente del Sole cambia, mostrando una condizione povera di carbonio e ricca di azoto. Caratteristiche, queste, che richiamano le anomalie chimiche che definiscono l’ipotetica seconda popolazione degli ammassi globulari. Sono però le stesse impronte lasciate dalle facole solari, che nei periodi di massimo magnetico si amplificano fino a coprire aree almeno dieci volte più estese delle tradizionali macchie solari, fredde e oscure. In altre parole, le facole — vere e proprie “lentiggini” del Sole — ne costituiscono l’alter ego luminoso e caldo. Di conseguenza, a un osservatore distante, incapace di risolvere singolarmente le macchie e le facole di una stella, appare come se la stella avesse perso il proprio carbonio.
«Nasce proprio da qui la nostra idea: ogni stella dell’ammasso globulare ha un proprio ciclo magnetico, con fasi di massima e minima attività su scale di circa dieci anni, proprio come il Sole», spiega a Media Inaf Simone Zaggia, ricercatore all’Inaf di Padova e coautore dello studio. «Queste variazioni fotometriche e spettroscopiche individuali sono però estremamente piccole e quasi impossibili da rilevare; solo grazie ai dati satellitari e alla nostra vicinanza al Sole siamo riusciti a misurare questo effetto sulla nostra stella. Ciò che osserviamo come “anomalie” chimiche e fotometriche negli ammassi globulari dipende invece dal livello medio di attività magnetica, che distingue in pratica due famiglie di stelle coesistenti: alcune mediamente più attive, altre meno. Cosa che in verità non dovrebbe sorprendere: una distinzione simile la osserviamo anche nelle stelle del disco galattico più vicine a noi».
Prima di proseguire con il parallelismo, però, bisogna rispondere a una domanda: perché l’attività magnetica nelle stelle degli ammassi sarebbe così elevata? Secondo gli autori, la risposta si trova proprio nell’ambiente iperdenso caratteristico degli ammassi globulari: in un volume di spazio equivalente alla distanza che separa il Sole dalla sua vicina più prossima (Proxima Centauri), nel nucleo di un tipico ammasso sono contenute diverse centinaia di migliaia di stelle. In questo ingorgo cosmico ad alta densità, i membri dell’ammasso sono continuamente soggetti, nell’arco di miliardi di anni, a incontri ravvicinati e passaggi dinamici casuali. In astrofisica stellare, queste interazioni persistenti agiscono come un motore fisico capace di accelerare la rotazione, fornendo il carburante essenziale per potenziare i motori magnetici delle stelle degli ammassi nel loro complesso e, in particolare, delle stelle di seconda popolazione.
La sequenza animata mette a confronto la densità di stelle della regione attorno al Sole e quella all’interno dell’ammasso globulare Omega Centauri. Si può notare come nei dintorni del Sole la densità di stelle sia estremamente bassa, tanto che fra il Sole e il sistema di Alpha Cen, a una distanza di 4.37 anni luce, la densità è di sole 0.14 stelle per parsec cubo. All’interno dell’ammasso globulare Omega Cen, invece, due stelle poste alla stessa distanza sono circondate da più di 20mila stelle per parsec cubo: dunque è un ambiente quasi 30mila volte più denso. Considerando che gli ammassi globulari sono fra gli oggetti celesti più antichi dell’universo, con una età di almeno 12 miliardi di anni, la probabilità di influenze mareali, incontri ravvicinati e scontri veri e propri aumentano enormemente. Crediti: rielaborazione dell’immagine del core di Omega Centauri prodotta da Nasa, Esa, and the Hubble Sm4 Ero Team
«La soluzione proposta per questo enigma vecchio di 50 anni è straordinariamente semplice, elegante e fondata sull’astrofisica: le due sottopopolazioni degli ammassi stellari non sono generazioni distinte nate in momenti differenti», spiega Zaggia. «Al contrario, si ritorna alla descrizione classica degli ammassi globulari: stelle molto antiche, di bassa massa e bassa metallicità, legate gravitazionalmente in un sistema denso e sferoidale nato in un unico episodio di formazione stellare, oltre dieci miliardi di anni fa».
In altre parole, tenendo in considerazione un fenomeno magnetico osservato nel Sole che, fino a oggi, non era stato mai considerato, si potrebbe dare una spiegazione alternativa e semplice a un problema complesso e ancora dibattuto.
«Siamo convinti che il magnetismo stellare (analogo a quello del Sole) sia una proprietà fondamentale anche per le stelle negli ammassi globulari. Fino ai nostri risultati, tuttavia, questo aspetto è stato completamente trascurato nel contesto delle popolazioni multiple, benché rappresenti un enigma irrisolto da più di mezzo secolo», conclude Momany. «Nel nostro lavoro abbiamo preso in esame il “primo pilastro” che definisce queste popolazioni (l’anticorrelazione tra carbonio e azoto), dimostrando come essa venga riprodotta in modo del tutto naturale nel Sole durante il suo ciclo magnetico, senza la necessità di ipotizzare complessi processi di arricchimento chimico e molteplici episodi di formazione stellare. Ciò che ancora ci manca è un’analisi equivalente sul “secondo pilastro” delle popolazioni multiple, ovvero l’anticorrelazione tra ossigeno e sodio, per la quale al momento non disponiamo di dati solari conclusivi. È interessante notare che, negli ammassi globulari, questa seconda firma non sia ancora stata confermata in stelle simili al Sole, essendo tuttora osservata soltanto in stelle in fasi evolutive più avanzate. Attendiamo quindi di disporre di entrambi i set di dati per poter completare il quadro».
Per saperne di più:
- Leggi su Astronomy and Astrophysics l’articolo “Something new under the Sun: A magnetically driven CH/CN anti-correlation”, di Y. Momany, L. Monaco, S. Villanova, S. Zaggia, I. Saviane, L. Girardi, G. Volpato, G. Costa, N.R. Landin, I. Yegorova, M. Montalto, M. Dima, F. R. Herpich, and F. Almeida-Fernandes