Quelle nidiate di stelle nella Via Lattea

Gruppi e filamenti di stelle nella Via Lattea. Crediti: M. Kounkel & K. Covey (2019)

Non amano la vita solitaria, le stelle. Soprattutto quando si tratta di muovere i primi passi nelle sterminate praterie della galassia: molte lo fanno rimanendo per lunghissimi periodi entro i confini delle proprie nidiate d’origine. Nidiate che prendono i nomi di ammassi, associazioni, gruppi cinematici. Individuarle non è facile: occorre infatti stabilire quali stelle fanno parte della stessa nidiata. Ma ora, grazie a quel forziere apparentemente inesauribile di dati che è la seconda data release (Dr2) del telescopio spaziale Gaia dell’Esa (un elenco dei moti e delle posizioni di oltre un miliardo di stelle con una precisione senza precedenti) e a un algoritmo di machine learning in grado di scoperchiarlo, sono ben 2000 in più rispetto a prima gli ammassi e i gruppi stellari conosciuti nel raggio di 3000 anni luce da noi.

Un passo avanti assai significativo per chi si occupa di ricostruire l’evoluzione della Via Lattea, perché mentre determinare l’età delle singole stelle è spesso un’impresa ardua, in quanto stelle medie con masse simili ma età differenti si somigliano, per le nidiate la datazione è molto più affidabile.

Ma la scoperta più recente, pubblicata la settimana scorsa su The Astrophysical Journal da Marina Kounkel e Kevin Covey della Western Washington University (Usa), è che circa la metà di queste “cucciolate” si dispone lungo dei filamenti: stringhe di stelle coetanee che tendo a rimanere insieme molto più a lungo di quanto si ritenesse.

«Pensavamo che le giovani stelle abbandonassero la culla nell’arco di pochi milioni di anni dopo essersi formate, perdendo completamente i legami con la loro famiglia d’origine», dice Kounkel. «Sembra invece che le stelle possano restare vicine alle loro sorelle anche per qualche miliardo di anni».

Le “famiglie di stelle” individuate grazie ai dati di Gaia. Crediti: Esa/Gaia/Dpac; M. Kounkel & K. Covey (2019)

Non solo. I dati di Gaia hanno mostrato che queste stringhe non presentano un addensamento centrale (segno del fatto che la struttura filamentosa è probabilmente primordiale) e hanno un orientamento preferenziale rispetto ai bracci della galassia. Orientamento che dipende dall’età delle loro stelle. Quelle più giovani – quelle con stelle d’età inferiore ai 100 milioni di anni – tendono a formare angoli retti rispetto al braccio di spirale più vicino al Sistema solare. Quanto alle stringhe più antiche, gli astronomi ritengono che fossero disposte perpendicolarmente rispetto ai bracci nei quali si formarono.

«La vicinanza e l’orientamento delle stringhe più giovani rispetto agli attuali bracci di spirale della Via Lattea suggeriscono che le stringhe più vecchie siano un importante “reperto fossile” della struttura a spirale della nostra galassia», spiega Covey. «La natura dei bracci di spirale è ancora dibattuta: ancora non si è stabilito se si tratti di strutture statiche o dinamiche. Studiare le stringhe di stelle più vecchie ci aiuterà a capire se i bracci siano per lo più statici o se, al contrario, si muovano, o si dissolvano per poi riformarsi, nel corso di alcune centinaia di milioni di anni – grosso modo il tempo che impiega il Sole per orbitare un paio di volte attorno al centro galattico».

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Prima mappa 3D della barra della Via Lattea

Distribuzione di 150 milioni di stelle nella Via Lattea sovrapposta a una vista artistica della nostra galassia. Le stelle sono state analizzate utilizzando i dati della seconda release della missione Gaia dell’Esa e dati da survey in infrarosso e in ottico. Le regioni in giallo e arancio indicano una maggiore densità di stelle. Una parte delle stelle tracciate si trova più vicino al Sole (la chiazza gialla nella parte inferiore dell’immagine), mentre nella porzione centrale della galassia è visibile una regione grande e allungata densa di stelle: si tratta della prima indicazione geometrica della barra galattica. Crediti: Esa/Gaia/Dpac, A. Khalatyan (Aip) & StarHorse team; Nasa/Jpl-Caltech/R. Hurt (Ssc/Caltech)

Da quando è stata lanciata, la missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea ha già prodotto due release dei dati. La prima, la data release 1 (Dr1), è un catalogo impressionante di stelle pubblicato nel 2016, dopo solo due anni dalla prima luce del satellite – quella della stella Sadalmelik, nota anche come Alpha Aquarii. La seconda release (Dr2) – contenente la luminosità, le posizioni, le distanze e i movimenti nel cielo di oltre un miliardo di stelle della nostra galassia, insieme a informazioni su altri corpi celesti – è invece stata rilasciata lo scorso anno. Una mole enorme di dati la cui analisi ha richiesto un grande lavoro di squadra. Lavoro che sta però portando a raccogliere i suoi frutti.

Combinando questi dati con quelli ottenuti da osservazioni complementari nell’infrarosso e nell’ottico, eseguite da telescopi da terra e dallo spazio (i cataloghi fotometrici di Pan-Starrs1, 2Masse AllWise), un team di astronomi del Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (Aip) e dell’Universitat de Barcelona ha ricostruito per la prima volta, nello spazio a tre dimensioni, la barra centrale della Via Lattea. E questo a partire da misure dirette delle stelle che formano la grande struttura dalla caratteristica forma allungata che si trova al centro della nostra galassia.

«Sapevamo che sarebbe stato cruciale calcolare meglio le distanze delle stelle osservate da Gaia al fine di avere una migliore visione delle regioni interne della galassia», spiega Cristina Chiappini, una delle coautrici dello studio, già ricercatrice presso l’Osservatorio astronomico dell’Inaf di Trieste e attualmente in forza all’Aip, in Germania. «Lì in quella zona le stelle non solo sono molto lontane, ma la loro luce è anche offuscata dall’abbondante polvere fra quelle regioni e noi. Per un volume piccolo e a noi vicino il metodo della parallasse di Gaia va benissimo – è molto preciso e può essere facilmente trasformato in distanze – ma per gli oggetti lontani e offuscati dalla polvere questo non funzionerebbe».

Cristina Chiappini, coautrice dello studio pubblicato su Astronomy & Astrophysics

«Abbiamo quindi utilizzato altre informazioni disponibili», continua la ricercatrice, «ottenendo distanze precise, che hanno dimostrato ciò che in realtà ci si aspettava. Riuscirci con i soli dati di Gaia non sarebbe stato possibile. Benché sapessimo, da altri dati, dell’esistenza della barra, in questo studio ci siamo potuti avvalere di un grande numero di stelle. E molte di più se ne aggiungeranno quando potremo combinare i nostri dati con spettri come quelli della survey Apogee (una survey nel vicino infrarosso che può penetrare nelle polveri)».

Quanto al futuro prossimo, in vista delle terza release dei dati di Gaia, Chiappini ha già le idee ben chiare. «Nei prossimi giorni”, dice a Media Inaf, «inizieremo a ottenere spettri per un gran numero di stelle con il telescopio 4Most dell’Eso e, in particolare, con la survey 4Midable-Lr – di cui io sono il principal investigator insieme ad altri due colleghi, Ivan Minchev ed Else Starkenburg. Speriamo di ottenere spettri per oltre 10 milioni di stelle. Spettri che, combinati con quelli nel vicino infrarosso da Apogee e della Sloan Digital Sky Survey, porteranno a una visione più nitida della galassia in generale e delle regioni più interne in particolare».

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Guarda sul canale YouTube dell’Esa il video “Revealing the galactic bar”:

Gaia confusa dai getti degli Agn

Gaia, l’osservatorio spaziale dell’Agenzia spaziale europea. Crediti: Esa

Gli astrofisici del Moscow Institute of Physics and Technology (Mipt), del Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (Lpi Ras) e della Nasa hanno trovato un errore nelle coordinate dei nuclei galattici attivi misurate dal telescopio spaziale Gaia e hanno contribuito a correggerlo. I risultati, pubblicati su The Astrophysical Journal, rappresentano una conferma indipendente del modello astrofisico di questi oggetti.

«Uno dei risultati più importanti del nostro lavoro è rappresentato dal modo nuovo e abbastanza inatteso di studiare indirettamente l’emissione ottica proveniente dalle regioni centrali dei nuclei galattici attivi: le osservazioni ottiche dirette non possono mostrarci tutto e i radiotelescopi si sono rivelati molto utili per integrare l’immagine ottica», osserva Alexander Plavin, ricercatore presso il Mipt e studente di dottorato presso Lpi Ras.

Una rete globale di radiotelescopi. I sistemi costituiti da più telescopi di questo tipo si sono dimostrati vitali per l’integrazione di Gaia, l’osservatorio orbitale dell’Agenzia spaziale europea. Crediti: HartRao

Mentre la precisione delle coordinate ottenute dai telescopi ottici terrestri è piuttosto limitata, le sonde spaziali come Gaia offrono un modo per aggirare questo limite. Lanciata nel 2013, Gaia riceve i segnali provenienti da sorgenti relativamente lontane, determinandone la posizione con una precisione superiore. Prima di Gaia, le coordinate più precise venivano misurate con array di radiotelescopi, ossia sistemi di telescopi in grado di rilevare un segnale a bassa frequenza – onde radio – con una risoluzione notevole. In questo modo è possibile produrre immagini piuttosto dettagliate, ma le posizioni degli oggetti nello spazio sono determinate con una precisione leggermente inferiore a quella raggiungibile con Gaia.

Il team Mipt-Lpi ha però scoperto che, nonostante la sua precisione, anche Gaia non è infallibile. Un confronto tra i dati di Gaia e quelli dei radiotelescopi ha rivelato un errore sistematico nelle misure fatte da Gaia di un’intera classe di oggetti celesti, chiamati nuclei galattici attivi (Agn). Di conseguenza, le mappe spaziali più accurate sembrerebbero essere quelle che si basano su osservazioni orbitali supportate da telescopi terrestri, i cui dati radio consentono di correggere le coordinate.

Un nucleo galattico attivo è una regione compatta e molto luminosa al centro di una galassia. Gli spettri di emissione degli Agn differiscono da quelli delle stelle e viene naturale chiedersi quale oggetto sia presente nel loro centro. Attualmente l’ipotesi più accreditata è che gli Agn ospitino buchi neri che assorbono la materia dalle loro galassie ospiti. Oltre al disco galattico, al nucleo luminoso e a una nuvola di polvere attorno ad esso, tali sistemi possono includere potenti deflussi di materia noti come getti. A seconda della natura del getto, un nucleo galattico attivo può essere classificato come quasar, blazar o altro.

Virgo A, una gigantesca galassia ellittica nella costellazione della Vergine, vista da un telescopio ottico. Crediti: Nasa

«Abbiamo ipotizzato che il getto potesse essere responsabile dell’errore sistematico nelle coordinate dei nuclei galattici attivi misurati da Gaia», spiega Yuri Kovalev, che dirige i laboratori di astrofisica al Mipt e Lpi Ras. «Ciò che abbiamo visto è che se un oggetto ha un getto sufficientemente lungo, Gaia percepisce il centro della sorgente molto più lontano rispetto a quello definito dai telescopi terrestri, lungo la direzione del getto». Questo errore non è casuale, perché l’offset è sempre lungo la direzione del getto, e un errore statisticamente significativo è stato osservato solo per gli Agn con la “coda” più lunga. Vale a dire, quelli i cui getti sono ordini di grandezza più grandi delle dimensioni delle galassie stesse. Inoltre, l’entità dell’offset è paragonabile alla lunghezza del getto.

Dall’anno scorso, Gaia ha anche fornito informazioni sui “colori” visibili delle galassie. Ciò ha permesso ai ricercatori di determinare le coordinate e i contributi allo spettro di emissione delle varie parti della galassia: sorgente, disco, getto e stelle. I cambiamenti di coordinate si sono dimostrati principalmente dovuti al fatto che i getti sono lunghi e che i dischi di accrescimento sono piccoli. A parte questo, misurare le emissioni stellari non ha quasi alcun effetto sulla precisione con cui viene determinata la posizione di una galassia.

Queste scoperte hanno portato gli autori a concludere che gli effetti astrofisici legati ai getti lunghi sono in grado di confondere Gaia, che pertanto non può essere considerata una fonte indipendente di dati completamente attendibili, almeno per quanto riguarda le coordinate dei quasar. Per ottenere dati migliori, il telescopio spaziale deve necessariamente essere supportato da osservazioni radio terrestri.

Il getto di Virgo A, visto da un interferometro radio. Crediti: Yuri Kovalev

«In futuro, combinando i risultati delle osservazioni, potremo vedere la struttura centrale dei quasar nei minimi dettagli, con risoluzione al di sotto del parsec. Le osservazioni dirette del telescopio ottico non producono tali immagini, ma possiamo ottenerle», aggiunge Plavin.

I risultati ottenuti dai ricercatori sono prove indipendenti a supporto del modello unificato degli Agn e spiegano il comportamento dei vari tipi di Agn in termini di orientamento nello spazio rispetto all’osservatore, piuttosto che in termini del loro funzionamento interno.

Essere in grado di misurare con precisione le posizioni degli oggetti celesti al di fuori della nostra galassia ha una rilevanza molto importante anche dal punto di vista pratico: le loro posizioni servono come riferimento per i sistemi di coordinate puntuali, compresi quelli che stanno alla base del Gps e del suo omologo russo Glonass.

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Stelle anemiche e col fiato corto

I tre autori dello studio mentre discutono i risultati. Da sinistra: Paola Re Fiorentin, Mario G. Lattanzi, Alessandro Spagna

Dimmi come ruoti e ti dirò chi sei, ma anche da dove vieni. Così potremmo sintetizzare i risultati della ricerca condotta da Paola Re Fiorentin, Mario G. Lattanzi e Alessandro Spagna, tutti dell’Osservatorio astrofisico dell’Inaf di Torino, che ha analizzato alcune proprietà – tra cui la composizione chimica e le velocità di rotazione – di ben 60mila stelle che costituiscono il cosiddetto disco spesso della nostra galassia, la Via Lattea.  Già nel 2010 lo stesso gruppo di studiosi, insieme a Richard L. Smart, sempre della struttura di ricerca torinese, aveva messo in evidenza, nei dintorni del Sole, una correlazione positiva tra rotazione e metallicità per le stelle più vecchie del disco galattico. Questa scoperta ha aperto nuovi scenari per i modelli cosmologici di formazione del disco della Via Lattea. Ora, i più recenti dati della missione spaziale Gaia dell’Esa, che vede un’importante partecipazione scientifica dell’Italia con l’Istituto nazionale di astrofisica e l’Agenzia spaziale italiana, hanno permesso di costruire mappe di velocità e di composizione chimica molto più accurate, che non solo hanno confermato la precedente scoperta locale ma ne hanno anche ampliato gli orizzonti. Infatti, questo studio ha evidenziato che la correlazione fra la velocità di rotazione delle stelle più antiche del disco spesso e le loro abbondanze chimiche si mantiene positiva su un ampio intervallo di distanza, che va da 15mila a 45mila anni luce dal centro della Via Lattea. In pratica, le stelle “anemiche”, ovvero quelle con meno ferro, o più correttamente con meno metalli, si muovono più lentamente rispetto a quelle più ricche di elementi chimici pesanti.

La scoperta, appena pubblicata sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, costituisce un’importante sfida osservativa per i più avanzati modelli galattici: modelli che dovranno riuscire a riprodurre queste caratteristiche chimico-cinematiche misurate per le stelle del disco spesso. Inoltre, costituisce una “prova” cosmologica che ci aiuta a capire come si è formato il disco della Via Lattea 8-10 miliardi di anni fa e, più in generale, a studiare i processi iniziali di formazione delle galassie a spirale.

«Questo risultato», precisa Re Fiorentin, «è stato possibile combinando i dati astrometrici della missione spaziale Gaia dell’Esa con le velocità radiali, i parametri atmosferici e le abbondanze chimiche derivati dagli spettri di alta risoluzione forniti dal progetto Apogee, condotto con telescopi da Terra. Questi cataloghi ci hanno permesso di analizzare in dettaglio un catalogo di 60mila stelle giganti rosse con metallicità circa dieci volte più bassa di quella del Sole ed entro un’altezza di 10mila anni luce dal piano galattico. Questo prova anche il ruolo determinante della sinergia tra survey spaziali e progetti spettro-fotometrici da Terra».

La Via Lattea e le sue stelle. L’mmagine è stata ottenuta con i dati Dr2 della missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea. Crediti: Esa

«Grazie all’altissima qualità dei dati astrometrici del catalogo Gaia Dr2 rilasciato al pubblico il 25 aprile scorso», sottolinea Lattanzi, responsabile nazionale della partecipazione italiana alla missione Gaia dell’Esa, «siamo riusciti a determinare posizioni stellari 3D con un’accuratezza molto alta e velocità 3D con errori inferiori a 0.6 km/s fino a distanze di 15mila anni luce da noi. Si tratta di valori impensabili fino a pochi mesi fa per campioni stellari così grandi. Un risultato che premia il lavoro ultradecennale di preparazione, operazioni e analisi dati che ha coinvolto l’Italia insieme a molti Paesi della Comunità Europea».

«Siamo convinti che i risultati di questa ricerca costituiranno un forte stimolo allo sviluppo di nuovi e più avanzati modelli cosmologici e di formazione delle galassie a spirale per i prossimi anni», aggiunge Spagna. «È stato straordinario vedere confermato con Gaia Dr2 il risultato del 2010, ottenuto con dati di qualità inferiore, e poi aggiungere una nuova scoperta. Questo fa ben sperare per le prossime release».

E a proposito di futuro, il team, è già al lavoro per ottenere misure ancora più raffinate, su un campione di stelle ancora più vasto. «Non vediamo l’ora di poter ulteriormente estendere i nostri studi con le prossime data release! Aspettiamo la Gaia Dr3 e Dr4 per i prossimi anni: i dati miglioreranno di un fattore 5 già con la Dr3. Parafrasando i nostri colleghi anglosassoni… il meglio deve ancora venire», conclude Re Fiorentin.

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Galassia per caso

Infografica sugli oggetti presenti nel catalogo della seconda release di Gaia. Crediti: Copyright: Esa

La scorsa settimana abbiamo dato notizia, su Media Inaf, di un interessante risultato ottenuto grazie alla seconda release dei dati di Gaia: la scoperta di Antlia 2, una “galassia fantasma” – così l’hanno definita i ricercatori nella press release dell’università di Cambridge – nana ma enorme, di dimensioni pari a quelle della Grande Nube di Magellano, in orbita attorno alla Via Lattea. Lo studio che illustra la scoperta, guidata da Gabriel Torrealba e Vasily Belokurov, ancora deve essere accettato (è stato sottoposto per la pubblicazione a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), ma nel frattempo, come spesso avviene in questi casi, è stato reso disponibile in rete il cosiddetto preprint: una copia liberamente accessibile destinata alla consultazione da parte della comunità scientifica, che può così commentare, offrire suggerimenti e segnalare eventuali errori.

Ed è proprio ciò che è accaduto: due esperti dell’analisi dati del telescopio spaziale Gaia dell’Esa, Vincenzo Ripepi dell’Inaf di Napoli e Gisella Clementini dell’Inaf di Bologna, si sono accorti che qualcosa non tornava: il dato dal quale è partito lo studio di Torrealba e colleghi – la distanza di alcune stelle variabili molto particolari note come RR Lyrae – era sbagliato. «Io e Vincenzo ci occupiamo proprio di caratterizzare le RR Lyrae osservate da Gaia», spiega Clementini a Media Inaf, «e quel dato non ci tornava perché sappiamo che Gaia non riesce ad arrivare a osservarle alla distanza indicata nell’articolo: 130 kiloparsec sono troppi, anche per Gaia».

«Siamo dunque rimasti molto sorpresi», continua la ricercatrice, «perché la galassia scoperta dovrebbe avere oggetti tipo RR Lyrae di magnitudine 21: troppo debole per Gaia, purtroppo. Quindi abbiamo rifatto i calcoli e ci siamo accorti che, nel calcolare la distanza delle RR Lyrae, gli autori hanno sbagliato un segno – mettendo un più al posto di un meno. In tal modo hanno reso le RR Lyrae intrinsecamente più brillanti di quello che dovevano essere: di una magnitudine, sostanzialmente».

L’aspetto più curioso dell’intera vicenda è che senza questo errore – segnalato da Clementini e Ripepi agli autori dello studio e prontamente riconosciuto, come ha confermato via email Belokurov a Media Inaf – questa nuova galassia dalle caratteristiche insolite – da ultra diffuse galaxy – descritte dagli autori nell’articolo forse non sarebbe stata scoperta. «Quando hanno trovato le quattro RR Lyrae e hanno visto che avevano gli stessi moti propri», ricostruisce Clementini, «si sono detti: andiamo a vedere – poiché in genere, quando ci sono delle RR Lyrae, sotto c’è una galassia, o è facile che ci possa essere, perché quasi tutte le galassie nel gruppo locale contengono questo tipo di stelle variabili. E sono andati a vedere usando immagini di archivio più profonde. Prendendo i dati da un’altra survey, DECam, hanno così identificato quella che potrebbe essere la galassia cui quelle RR Lyrae apparterrebbero».

Insomma, la “galassia fantasma” è stata scoperta per caso: solo perché le RR Lyrae – che senza quell’errore nel calcolo della magnitudine non avrebbero probabilmente attirato l’attenzione – forse sono casualmente in quella direzione. Colpo di fortuna a parte, ciò che conta è ora capire se la correzione sulla distanza delle RR Lyrae può avere qualche conseguenza sulla caratterizzazione di Antlia 2. «Ritengo che l’errore sulla distanza delle RR Lyrae non abbia alcun impatto sulle proprietà della galassia nana», sostiene Belokurov, «perché non abbiamo utilizzato la RR Lyrae per misurare la distanza da Antlia 2: il calcolo è stato fatto utilizzando le stelle blu del ramo orizzontale (blue horizontal branch stars) identificate dalle immagini di campo profondo della survey DECam».

Negli ultimi giorni c’è stato un ulteriore scambio di email con gli autori del paper sulla scoperta di Antlia 2, che stanno preparando una nuova versione in cui correggono l’errore fatto nel calcolo della distanza delle RR Lyrae identificate da Gaia. Ora convengono che esse si trovano a circa 80 kiloparsec (pari a 260mila anni luce, quindi circa 50 kiloparsec – o 160mila anni luce – più vicine della distanza che hanno stimato per Antlia 2 usando le blue horizontal branch stars), racconta Clementini a Media Inaf, ma ipotizzano che appartengano comunque ad Antlia 2 e che facciano parte dell’estremità a noi più vicina di una nube di detriti mareali che fuoriesce dalla galassia.

Ma la discussione su questo oggetto dalle caratteristiche insolite continua.

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Stelle “Neanderthal” nella Via Lattea

Rappresentazione artistica della fusione tra la galassia Gaia-Encelado e la nostra Via Lattea, avvenuta durante le prime fasi di formazione della galassia, 10 miliardi di anni fa. Crediti: Esa; Koppelman, Villalobos and Helmi; Nasa/Esa/Hubble

Circa dieci miliardi di anni fa, quando la Terra ancora non esisteva e il Sole nemmeno, alla nostra galassia, la Via Lattea, è accaduto qualcosa. Qualcosa di grosso: un incontro traumatico del quale ancora porta i segni. Segni assai difficili da afferrare, soprattutto per noi che nella Via Lattea ci siamo dentro fino al collo. E infatti non ce n’eravamo mai accorti prima, benché sia una storia vecchia, appunto, miliardi di anni. Per riuscire a rendersene conto sono stati necessari i dati raccolti dal telescopio spaziale Gaia dell’Esa nei suoi primi 22 mesi di osservazioni. In particolare, i dati di quei sette milioni di stelle per le quali sono disponibili informazioni complete su velocità e posizione. Ebbene, alcune di queste stelle, circa trentamila, hanno tratti e comportamenti anomali: sono stelle decisamente fuori dagli schemi, compreso lo schema stellare per eccellenza, il diagramma Hertzsprung-Russell. E vanno contromano.

«Ci siamo accorti che un numero sorprendentemente alto di stelle nelle vicinanze del Sole si sta muovendo nella direzione opposta rispetto a quella di rotazione del disco della Galassia. Questo ci ha insospettito sulla loro origine, perché stelle nate nella Via Lattea tendono a muoversi nello stesso senso della rotazione del disco», spiega a Media Inaf Davide Massari, ricercatore all’università di Groningen e coautore di uno studio pubblicato questa settimana su Nature. «La conferma che queste stelle hanno una diversa origine è venuta dalla loro chimica. Le stelle del disco della Via Lattea hanno abbondanze di elementi alpha (come calcio, silicio e titanio) elevate fino alle metallicità tipiche del Sole. Le stelle con il moto peculiare, invece, iniziano a mostrare basse abbondanze di elementi alpha già a metallicità molto inferiori a quelle del Sole. Questo significa che si sono formate in un ambiente completamente diverso, con un tasso di formazione stellare basso, che è tipico delle galassie nane esterne alla Via Lattea».

La posizione in cielo delle stelle di Gaia-Encelado. Crediti: Esa / Gaia / Dpac; A. Helmi et al. 2018

Per avere la certezza che l’ambiente completamente diverso al quale fa riferimento Massari fosse proprio un’altra galassia, i ricercatori del suo team – avvalendosi dei dati di Gaia – hanno messo a punto una simulazione in grado di riprodurre gli effetti di un incontro e unione fra galassie. I risultati hanno fugato ogni dubbio.

«L’insieme di stelle che abbiamo individuato con Gaia ha tutte le caratteristiche che ci si attende da quel che resta di una fusione galattica», spiega la prima autrice dello studio, Amina Helmi, dell’università di Groningen. Gli astronomi hanno chiamato questa galassia Gaia-Encelado, dal nome di uno dei giganti dell’antica mitologia greca figli di Gaia (la Terra) e di Urano (il Cielo). «Secondo la leggenda, Encelado fu sepolto sotto l’Etna, in Sicilia, e sarebbe il responsabile dei terremoti che avvengono in quella regione», ricorda Helmi. «In modo simile, le stelle di Gaia-Encelado erano sepolte a fondo nei dati di Gaia, e hanno scosso la Via Lattea, portando alla formazione del suo disco spesso».

Il “disco spesso” – o thick disc, per distinguerlo dal “disco sottile” dei bracci a spirale, il thin disc – del quale parla Helmi è una struttura di qualche migliaia d’anni luce di profondità che ospita circa il 10-20 per cento di tutte le stelle della nostra galassia, e sulle sue origini c’erano molte perplessità. Ma la nuova scoperta aiuta a far luce anche sulla storia di questa struttura.

Davide Massari, 31 anni, ricercatore originario di Fidenza, in provincia di Parma, oggi all’Università di Groningen (Paesi Bassi), coautore dello studio guidato da Amina Helmi pubblicato su Nature

«L’ultimo pezzo del puzzle riguarda l’età delle stelle», aggiunge a questo proposito Massari. «Alcune delle stelle appartenenti alla galassia nana che è stata “cannibalizzata” dalla Via Lattea sono più giovani delle stelle del disco galattico. Questo significa che il disco – o almeno il suo progenitore – era già al suo posto quando la galassia nana è stata inglobata: ecco perché questo evento ha perturbato il disco, rendendolo simile a come lo vediamo oggi».

La ricerca di Helmi e colleghi è anche riuscita a fornire un parziale identikit di Gaia-Encelado: doveva trattarsi sì di una galassia nana, ma non piccolissima: la massa doveva essere grosso modo pari a quella di una delle due Nubi di Magellano, piccole galassie satelliti della Via Lattea. Non solo: poiché all’epoca della fusione la stazza della Via Lattea era assai più modesta di quanto non sia ora, i ricercatori hanno calcolato che il rapporto fra quest’ultima e Gaia-Encelado dovesse essere di circa quattro a uno. Insomma, fu una bella botta, della quale tutt’ora si vedono le cicatrici.

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In questo video dell’Esa, una simulazione dell’incontro galattico:

C’è un buco nel diagramma Hertzsprung-Russell

Diagramma H-R che mostra molte delle stelle conosciute della nostra galassia, la Via Lattea. Crediti: Eso

Il diagramma di Hertzsprung-Russell (H-R) è un grafico che mette in relazione la temperatura effettiva di una stella e la sua luminosità (o anche l’indice di colore e la magnitudine, nella sua versione osservativa conosciuta come diagramma colore-magnitudine), entrambe dipendenti strettamente dalle caratteristiche intrinseche della stella (massa, età e composizione chimica). Rappresenta uno degli strumenti più importanti nell’astronomia stellare e fornisce informazioni fondamentali su molti tipi di stelle, in quanto da esso è possibile ricavare quantità dalle quali dipende la posizione della stella nel diagramma stesso: dimensioni, metallicità e, naturalmente, lo stato evolutivo. Il diagramma di Hertzsprung-Russell è una specie di “ritratto di famiglia” delle stelle presenti nella nostra galassia e permette di confrontare “a colpo d’occhio” stelle come il Sole, Altair, Alpha Centauri, Betelgeuse, la stella polare e Sirio.

Un recente studio pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, guidato da astronomi della Georgia State University e basato su misurazioni presentate nella seconda release dei dati di Gaia (Dr2), riporta come sia stato trovato un sottile gap nel diagramma H-R, ossia una stretta striscia (circa 0.05 magnitudini) meno popolata di stelle localizzata nella regione caratteristica delle stelle nane rosse, che sono molto più piccole e più fredde del Sole, ma rappresentano tre stelle su quattro nei dintorni della nostra stella. Questa scoperta parrebbe fornire nuove informazioni sulla struttura interna delle stelle di bassa massa presenti nella Via Lattea. Il gap è stato riscontrato in campioni estratti dalla Dr2, a varie distanze, e non riguarda solo la fotometria di Gaia, bensì appare anche quando si utilizza la fotometria near-Ir (Nir), ovvero nel vicino infrarosso. Gli autori suggeriscono che abbia un’origine astrofisica collegata al modo in cui viene trasferita l’energia all’interno della stella: potrebbe indicare dove si verifica il cambiamento interno nella struttura delle stelle, evidenziando dove le stelle passano dall’essere più grandi e per lo più convettive, con uno strato radiativo sottile, a essere più piccole e completamente convettive. Ricordiamo che radiazione e convezione sono due modi per trasferire energia dall’interno di una stella alla sua superficie: il trasferimento radiativo, nel quale l’energia si trasferisce attraverso lo spazio per irraggiamento, e il trasferimento convettivo nel quale l’energia viene trasferita da un luogo ad un altro attraverso il movimento del fluido.

Porzione del diagramma H-R delle stelle della Dr2 entro 100 parsec, nella quale è evidente il sottile gap che attraversa la sequenza principale a magnitudine circa 10. Crediti: The American Astronomical Society/ESA/Gaia/DPAC/Georgia State University

Nel 2013, l’Agenzia Spaziale Europea (Esa) ha lanciato il satellite Gaia per fare un censimento delle stelle della nostra galassia e creare una mappa tridimensionale. Nell’aprile 2018, l’Esa ha rilasciato i risultati di questa missione: una mappa di oltre un miliardo di stelle presenti nella Galassia, un numero 10.000 volte superiore al numero di stelle fino ad allora conosciute, con una stima molto accurata della loro distanza. Il gruppo di ricerca guidato dalla Georgia State University ha tracciato quasi 250.000 di queste stelle sul diagramma H-R ed è stato in grado di rivelare il gap. «Siamo stati piuttosto entusiasti nel vedere questo risultato, che ci fornisce nuovi spunti sulla struttura e sull’evoluzione delle stelle», ha affermato Wei-Chun Jao, primo autore dello studio e astronomo del Dipartimento di Fisica e Astronomia alla Georgia State University. Il team sta ora cercando di capire il perché di questo gap. Usando i risultati di un modello teorico computerizzato che simula l’attività all’interno delle stelle, sembra che il gap sia correlato a un cambiamento di struttura (diminuzione del raggio) che si verifica nella regione di transizione tra stelle parzialmente convettive e stelle completamente convettive.

Satellite Gaia. Copyright: ESA/Gaia/DPAC

Media Inaf ha chiesto un commento a Antonella Vallenari, astronoma dell’Inaf presso l’ Osservatorio Astronomico di Padova, esperta nello studio delle popolazioni stellari risolte e membro del team di Gaia dal 1999. «La precisione della astrometria di Gaia è incredibile: solo guardando i dati, senza analisi sofisticate, si possono fare scoperte entusiasmanti. La posizione di una stella nel diagramma H-R indica la sua massa. La natura vera di questo gap deve ancora essere capita interamente, ma potrebbe essere dovuta al fatto che stelle più brillanti del gap hanno un core convettivo e un piccolo inviluppo radiativo, mentre le stelle più deboli sono interamente convettive. La presenza del gap indicherebbe questo cambiamento nella struttura della stella. I modelli stellari hanno problemi a riprodurre queste stelle, e non prevedono la presenza di questo gap. La scoperta di questo gap ci dimostra che ci sono aspetti nella evoluzione delle stelle che non abbiamo ancora compreso pienamente ed è solo una delle scoperte che ci aspettiamo da Gaia».

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Astro-software rende supercomputer un laptop

Movimento di taxi a New York. È qui visibile uno screenshot di una immagine realizzata dal software Vaex, basata su 1 miliardo di dati ottenuti dai viaggiatori che scendono da un taxi della compagnia Yellow Cab a New York. Crediti: Breddels & Veljanoski (RUG)

Maarten Breddels e Jovan Veljanoski, astronomi dell’Università di Groningen (NL), hanno sviluppato una libreria software in grado di generare facilmente visualizzazioni basate su centinaia di milioni di punti dati. Inizialmente, i due ricercatori hanno sviluppato il loro software per gestire l’enorme mole di dati osservativi provenienti dalla missione Gaia dell’Esa. Tuttavia, esso può anche funzionare in altri contesti che lavorano con grandi database. Ad esempio, utilizzando un set di dati costituito da 1 miliardo di voci relative ai taxi della compagnia Yellow Cab a New York City, il software mostra quali taxi sono i più redditizi e dove questi dovrebbero attendere clienti in un qualunque momento della giornata per massimizzare i loro profitti, chiarendone il possibile interesse per applicazioni esterne all’astronomia.

Breddels e Veljanoski hanno chiamato il loro software vaex, Visualisation and exploration, cioè visualizzazione ed esplorazione (di grandi set di dati tabulari). È open source e gratuito. I ricercatori ne spiegano i dettagli in un articolo recentemente accettato per la pubblicazione nella rivista Astronomy & Astrophysics.

Vaex può generare visualizzazioni di miliardi di punti dati in un solo secondo, rendendolo così interattivo. Si comporta infatti in modo simile a Google Maps: quando si esegue la panoramica o lo zoom è necessario attendere pochissimo tempo per visualizzare una mappa aggiornata o più dettagliata. La grande differenza è che Maps funziona grazie a server veloci e potenti, mentre Vaex funziona su un computer portatile.

La potenza di vaex risiede nella combinazione di diverse tecniche smart. Innanzitutto, utilizza un algoritmo intelligente che massimizza tutta la potenza di calcolo disponibile; quindi, legge solo i dati richiesti dal disco rigido e li invia direttamente alla memoria principale del computer. Inoltre è estremamente efficiente in termini di memoria, poiché quella utilizzata non trattiene copie non necessarie dei dati.

Abbiamo chiesto un parere su Vaex a Luciano Nicastro, ricercatore dell’Oas Bologna, esperto di progettazione di grandi database astronomici. «Sembra poter fare tutto spendendo poco, ma poi forse niente in modo eccelso. Con qualche eccezione. Da notare il fatto che sono in corso sviluppi ulteriori, ad esempio per l’uso in parallelo su cluster di PC e l’applicazione in ambito Machine Learning», commenta Nicastro a Media Inaf. «La libreria è interessante per il fatto che mette insieme i diversi aspetti della gestione e utilizzo dei grandi archivi di dati tabulari: dalla strutturazione ad albero e mappatura in memoria, all’accesso per colonne, alla loro visualizzazione e in parte analisi. Tutto questo senza l’utilizzo di database e usando in modo diligente tutte le risorse dei moderni PC». Inoltre, «pur essendo una libreria generalista per l’esplorazione di dati tabulari, ha un occhio di riguardo per i dati astronomici».

Infine, aggiunge Nicastro, «è sostanzialmente codice Python; certamente molto usato e apprezzato dalle varie comunità scientifiche, ma non certo il top per efficacia. La sua forza è anche la sua debolezza: include o dipende da tante altre librerie e pacchetti, alcuni dei quali non sono utilizzabili su qualsiasi laptop o PC».

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Il buco nero più vorace dell’universo

Un buco nero supermassiccio brillante. Crediti: Esa/Hubble e Nasa

Gli astronomi dell’Australian National University (Anu) hanno trovato il buco nero più vorace dell’universo: un mostro che divora una massa equivalente a quella del nostro Sole ogni due giorni. Lo hanno trovato guardando indietro nel tempo, fino all’epoca conosciuta come età oscura dell’universo, più di 12 miliardi di anni fa, quando si calcola che questo buco nero supermassiccio avesse le dimensioni di circa 20 miliardi di soli, con un tasso di crescita dell’uno per cento ogni milione di anni.

«Questo buco nero sta crescendo così rapidamente che risplende con una luminosità migliaia di volte superiore a quella di un’intera galassia, a causa dell’attrito e del calore che sprigionano tutti i gas che vengono risucchiati quotidianamente verso il suo interno», spiega Christian Wolf della Research School of Astronomy and Astrophysics dell’Anu. «Se questo mostro fosse seduto al centro della nostra galassia, apparirebbe dieci volte più luminoso di una luna piena. Sembrerebbe un punto incredibilmente luminoso, tale da sbiadire la luce di tutte le stelle nel cielo».

Wolf sostiene che l’energia emessa da questo buco nero supermassiccio appena scoperto, noto anche come quasar, fosse per lo più luce ultravioletta e radiazione X. «Di nuovo, se questo mostro fosse al centro della Via Lattea», aggiunge il ricercatore, «probabilmente renderebbe impossibile la vita sulla Terra per via dell’enorme quantità di raggi X irradiati».

L’oggetto è stato trovato combinando i dati di Gaia con la fotometria della SkyMapper DR1 e del Wide-field Infrared Survey Explorer (Wise). Il telescopio SkyMapper presso l’Anu Siding Siding Spring Observatory ha rilevato la sua luce nel vicino infrarosso, poiché la radiazione emessa è stata spostata verso il rosso, trovandosi l’oggetto a miliardi di anni luce di distanza dalla Terra. «All’espandersi dell’Universo, lo spazio si espande e altrettanto fa la lunghezza d’onda della radiazione emessa, che si stira, modificando il suo colore», dice Wolf. «Questi grossi buchi neri che accrescono materia molto rapidamente sono estremamente rari e li stiamo cercando da diversi mesi con lo SkyMapper. Il satellite Gaia dell’Agenzia spaziale europea, che misura piccoli movimenti di oggetti celesti, ci è stato di grande aiuto per trovare questo buco nero supermassiccio».

Gaia ha confermato che l’oggetto in questione sembrava essere fermo, il che significa che doveva essere lontano e che si stava trattando molto probabilmente di un quasar molto grande. La scoperta del nuovo buco nero supermassiccio è stata confermata usando lo spettrografo montato sul telescopio da 2,3 metri dell’Anu.

«Non sappiamo come abbia fatto questo oggetto a crescere così tanto e così rapidamente nei primi giorni dell’Universo», continua Wolf. «La caccia per trovare buchi neri che si accrescono ancora più velocemente, continua».

Wolf sostiene che siccome questi tipi di buchi neri sono estremamente brillanti, possono essere usati come fari per studiare la formazione degli elementi nelle prime galassie dell’Universo. «Gli scienziati potrebbero essere in grado di vedere le ombre degli oggetti posti di fronte al buco nero supermassiccio», conclude Wolf.

Gli strumenti che verranno costruiti e montati sui grandissimi telescopi terrestri nel corso del prossimo decennio, saranno in grado di misurare direttamente l’espansione dell’Universo usando questi buchi neri molto luminosi.

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Due astrofisiche italiane nel regno di Hubble

25.04.2018

Marcella Marconi (a sinistra), laurea in fisica a Pisa e dottorato in astronomia a Firenze, da gennaio dirige l’Inaf – Osservatorio astronomico di Capodimonte (Napoli). Sofia Randich (a destra), laurea in fisica e dottorato in astronomia a Firenze, dopo cinque anni a Monaco di Baviera è rientrata in Italia nel 1996, e da gennaio dirige l’Inaf – Osservatorio astrofisico di Arcetri (Firenze). Crediti: Marcella Di Criscienzo / Inaf

Si sta svolgendo in questi giorni, nella sede dello Hubble Space Telescope Science Institute, nel campus dell’Università John Hopkins di Baltimora (Usa), lo “Spring Symposium“: un incontro annuale che raccoglie un pubblico selezionato di scienziate e scienziati, scelti per lo più su invito, per discutere su aspetti importanti dell’astrofisica moderna. Quest’anno il simposio ha per titolo “The 21st Century H-R Diagram: The Power of Precision Photometry”, e vede la partecipazione di un discreto gruppo di ricercatrici e ricercatori italiani: una caratteristica comune a quasi tutti i congressi interessanti che si tengono nel mondo, e che dimostra, se ce ne fosse bisogno, l’eccellente livello della nostra ricerca.

C’è comunque un particolare aspetto dello Spring Symposium di quest’anno: tra le numerose donne italiane invitate a tenere un talk sulla loro linea di ricerca, partecipano due scienziate che sono state nominate di recente alla guida di altrettante sezioni Inaf: Marcella Marconi, direttrice dell’Osservatorio astronomico di Napoli, e Sofia Randich, direttrice dell’Osservatorio astrofisico di Arcetri.

Essendo entrambe coinvolte nella missione dell’Esa Gaia, Marconi e Randich sono state invitate dal chair del simposio a tenere, questa sera, una conferenza congiunta per descrivere ai partecipanti i risultati spettacolari – resi pubblici al mondo pochi istanti fa – della seconda release dei dati di Gaia, la cosiddetta DR2.

«È una giornata attesa con grande fermento dalla comunità astrofisica internazionale, come stiamo percependo anche in questi giorni qui allo Hubble Space Telescope Institute», dice Marcella Marconi, laurea a Pisa, dottorato a Firenze, membro della Coordination Unit 7 for Variability of the Gaia Data Processing and Analysis Consortium e, come dicevamo, direttrice dell’Inaf di Napoli dallo scorso gennaio.

«La seconda data release di Gaia, a cui la comunità Inaf coinvolta nel Data Processing and Analysis Consortium ha contribuito in modo significativo, segna l’inizio di una nuova era per moltissime aree della ricerca astrofisica. È un’emozione e un onore presentare la DR2 a questo simposio», aggiunge Sofia Randich, laurea e dottorato a Firenze, postdoc in Germania, membro del Gaia Science Team nonché responsabile della Gaia-ESO Large Public Spectroscopic Survey e oggi direttrice, anche lei da gennaio, dell’Inaf di Arcetri.

Due astrofisiche italiane, a presentare dati di una novità assoluta, importantissimi per tutta la comunità, risultato della più importanti missione spaziale dell’Esa di questo decennio. Un grande riconoscimento, insomma, che mostra anche come la parità di genere in campo astronomico stia facendo passi importanti – cosa niente affatto ovvia per un gran numero di nazioni anche europee, dove sia il numero di ricercatrici che il numero di donne in posizioni apicali è veramente modesto.

Congratulazioni a Marcella Marconi e Sofia Randich, e in bocca al lupo per la loro carriera ed il loro impegno alla direzione dei rispettivi istituti!