Ammassi stellari, risolto l’enigma dell’età

L’ammasso stellare Hodge 11, situato nella galassia nota come Grande Nube di Magellano. È tra i 5 ammassi studiati dal team di ricercatori guidati da Francesco Ferraro. Crediti: F. R. Ferraro / C. Pallanca (UniBO)

Così come persone della stessa età possono essere notevolmente diverse nell’aspetto e nella forma fisica, anche ammassi stellari coevi possono apparire piuttosto differenti l’uno dall’altro. Nuove osservazioni fatte dal telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa suggeriscono che l’età cronologica da sola non basta a raccontarci tutto della loro evoluzione.

Le ricerche svolte fino ad oggi sulla formazione e l’evoluzione degli ammassi stellari suggerivano che essi si formano come sistemi compatti, per poi espandersi in fasi successive e formare nuclei di piccole e grandi dimensioni. Le nuove osservazioni fatte sulla Grande Nube di Magellano hanno ampliato la nostra comprensione di come la struttura degli ammassi stellari di questa galassia cambi nel tempo.

Francesco Ferraro, dell’Università di Bologna e associato Inaf, insieme al suo team di cui fa parte Emanuele Dalessandro dell’Inaf di Bologna, ha infatti utilizzato Hubble per osservare le stelle note come “vagabonde blu” presenti in cinque antichi ammassi stellari coevi, ma diversi nelle dimensioni del nucleo, tutti situati nella Grande Nube di Magellano, riuscendo a classificarli in base alla loro età dinamica. I risultati di queste osservazioni sono presentati in un articolo pubblicato oggi su Nature Astronomy.

Gli ammassi stellari sono aggregati che raggruppano fino a un milione di stelle. Sono sistemi attivi in cui le reciproche interazioni gravitazionali tra stelle modificano nel tempo la struttura dell’ammasso stesso, fenomeno chiamato dagli astronomi “evoluzione dinamica”. Le interazioni gravitazionali fanno sì che le stelle pesanti tendano ad “affondare” progressivamente verso la regione centrale dell’ammasso, mentre le stelle di piccola massa possono sfuggire all’attrazione gravitazionale del sistema. Si innesca quindi una progressiva contrazione del nucleo dell’ammasso, che può avvenire in tempi diversi, e gli ammassi stellari con la stessa età cronologica possono quindi variare notevolmente nell’aspetto e nella forma a causa di una differente “età dinamica”.

La Grande Nube di Magellano, situata a quasi 160mila anni luce dalla Terra, è una galassia satellite della Via Lattea che, al contrario della nostra galassia, ospita ammassi stellari distribuiti su una vasta gamma di età. Gli ammassi giovani mostrano tutti un nucleo compatto, mentre i sistemi più vecchi mostrano nuclei di dimensioni sia piccole che grandi.

La Grande Nube di Magellano in un’immagine da terra acquisita dall’Osservatorio Eso di La Silla, in Cile. Crediti: Zdenek Bardon / Eso

È noto che gli ammassi stellari, compresi quelli della Grande Nube di Magellano, ospitano un particolare tipo di stelle note come “vagabonde blu” (o blue stragglers, in inglese). La causa del “vagabondaggio” non è certa, ma l’ipotesi più quotata è che le vagabonde blu siano il risultato di collisioni di stelle singole o il prodotto della fusione di un sistema binario. Questi processi darebbero origine a una singola stella con una massa più grande, rendendola più calda e luminosa delle altre stelle di età simile.

Come risultato dell’invecchiamento dinamico, le stelle più pesanti sprofondano verso il centro di un ammasso man mano che l’ammasso invecchia, in un processo simile alla sedimentazione, chiamata “segregazione centrale”.  Le vagabonde blu sono brillanti, il che le rende relativamente facili da osservare, e hanno masse maggiori delle loro sorelle, il che significa che sono interessate dalla segregazione centrale e possono essere utilizzate per stimare l’età dinamica di un ammasso stellare.

«Abbiamo dimostrato che le diverse dimensioni dei nuclei degli ammassi stellari», dice Ferraro, « sono dovute a diversi livelli di invecchiamento dinamico: gli ammassi con nucleo più compatto sono dinamicamente più vecchi degli altri, nonostante siano tutti nati nello stesso tempo cosmico. È la prima volta che l’effetto dell’invecchiamento dinamico viene misurato nei cluster della Grande Nube di Magellano.».

«Abbiamo affrontato questo studio da un punto di vista completamente diverso rispetto al passato e questa è stata la chiave per poter far luce su importanti proprietà degli ammassi stellari nella Grande Nube di Magellano», sottolinea Dalessandro, ricercatore Inaf a Bologna, anche lui nel team di Ferraro. «Ora questi risultati pongono nuove ed interessanti domande su come gli ammassi stellari si formano e quanto il loro destino sia legato alla galassia che li ospita».

«Questa scoperta», conclude Barbara Lanzoni, anche lei in forza all’Università di Bologna e associata Inaf, nonché coautrice dello studio, «fornisce una nuova lettura delle proprietà osservate degli ammassi nella Grande Nube di Magellano e apre nuove prospettive per la nostra comprensione della storia di formazione stellare in questa galassia».

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Quel disco che non t’aspetti attorno al buco nero

Rappresentazione artistica del tenue disco attorno al buco nero centrale della galassia Ngc 3147. Crediti: Esa/Hubble, M. Kornmesser

Un tenue disco di materia è stato individuato dove non avrebbe dovuto esserci, ovvero attorno al buco nero supermassiccio nel centro della poco luminosa galassia Ngc 3147, distante 130 milioni di anni luce da noi. A scoprirlo è stato un team internazionale di ricercatori guidato da Stefano Bianchi, dell’Università degli Studi Roma Tre e a cui hanno partecipato anche colleghe e colleghi dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), grazie alle riprese del telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa. Il lavoro che descrive la scoperta viene pubblicato oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

La scoperta di un disco di materia attorno al buco nero centrale di una galassia a bassa luminosità come Ngc 3147 ha sorpreso gli astronomi. I buchi neri in certi tipi di galassie come Ngc 3147 sono infatti considerati “affamati”, in quanto attorno a loro non vi è sufficiente materiale catturato gravitazionalmente che possano ingurgitare e grazie al quale sono in grado di emettere enormi quantità di energia, sotto forma di getti e radiazione elettromagnetica, come la luce, ma anche più energetica, fino ai raggi X e gamma. La tenue struttura individuata nel cuore della galassia Ngc 3147, che può essere considerata a tutti gli effetti una copia sbiadita dei luminosi dischi attorno ai buchi neri centrali delle galassie attive, è una novità assoluta per chi studia questi oggetti celesti estremi.

«Questo è il primo, affascinante sguardo che abbiamo ottenuto di un disco così debole, tanto vicino al buco nero che le velocità della materia che lo compone e l’eccezionale forza di attrazione gravitazionale del buco nero che orbita influenzano notevolmente il modo in cui vediamo la luce emessa da questo sistema finora unico nel suo genere», dice Bianchi, che è anche ricercatore associato all’Inaf.

Osservare e misurare gli effetti estremi legati all’interazione tra materia, radiazione elettromagnetica e gravità nel cuore di Ngc 3147 è di estremo interesse per testare le teorie della relatività di Albert Einstein, come conferma Marco Chiaberge, in forza all’Stsci e alla Johns Hopkins University, anche lui nel team che ha realizzato la scoperta: «Non avevamo mai visto gli effetti della Relatività generale e speciale sulla luce visibile con un’accuratezza simile».

La galassia a spirale Ngc 3147, distante 130 milioni di anni luce da noi, in tutto il suo splendore. Crediti: Esa/Hubble & Nasa, A. Riess et al.

I dati raccolti dallo strumento Stis (Space Telescope Imaging Spectrograph) di Hubble hanno permesso di raccogliere preziose informazioni sulla velocità con cui ruota la materia del disco attorno al buco nero, pari a oltre il 10 per cento di quella della luce. Con questi valori così estremi, il gas sembra risultare più brillante mentre si sposta verso la Terra e al contrario perde luminosità mentre si allontana da noi. Questo effetto è noto come Doppler boosting o relativistic beaming. Le osservazioni di Hubble mostrano inoltre che la materia del disco è così profondamente dominata dalla forza di gravità del buco nero, la cui massa stimata è di 250 milioni di volte quella del Sole, che anche la luce prodotta dal gas che lo compone fa fatica a sfuggirgli, e ci arriva con lunghezze d’onda grandi e ci appare più arrossata. «Grazie agli effetti di distorsione della luce proveniente dal disco di gas siamo riusciti a misurare la sua distanza dal buco nero, che corrisponde a 30 miliardi di km, pari a circa 6 volte la distanza tra il Sole e Nettuno», aggiunge Andrea Marinucci, ricercatore dell’Asi, che ha partecipato allo studio.

Il team ha deciso di studiare in dettaglio il cuore della galassia Ngc 3147 proprio per verificare gli attuali modelli teorici che descrivono le proprietà delle galassie attive con bassa luminosità, ovvero quelle che ospitano nel loro centro buchi neri di grande massa ma “affamati”. Questi modelli suggeriscono che i dischi di materiale dovrebbero formarsi quando grandi quantità di gas vengono catturate dalla formidabile attrazione gravitazionale prodotta da un buco nero supermassiccio, emettendo così una enorme quantità di luce, come un potentissimo faro: quello che gli astronomi chiamano quasar.

«Il tipo di disco che vediamo è un quasar ridimensionato che non ci aspettavamo potesse esistere», sottolinea Alessandro Capetti dell’Inaf a Torino, anch’egli nel team di Bianchi. «È lo stesso tipo di disco che vediamo negli oggetti che sono 1000 o anche 100.000 volte più luminosi. È quindi evidente che le previsioni degli attuali modelli per galassie attive molto deboli in questo caso falliscono».

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La piccola galassia dal ritmo frenetico

La piccola galassia Eso 495-21 forma nuove stelle a un ritmo frenetico. Crediti: ESA/Hubble, NASA

Eso 495-21 è una “piccola” galassia (larga 3000 anni luce) che produce stelle con un ritmo senza pari. Conosciuta anche con il nome Henize 2-10, si tratta di una galassia nana detta starbusts, cioè un oggetto il cui processo di formazione stellare è particolarmente inteso e violento. Le galassie starburst formano stelle a tassi eccezionalmente alti, fino a 1000 volte di più della Via Lattea. L’oggetto (solo il 3 per cento della grandezza della nostra galassia) potrebbe anche ospitare un buco nero supermassiccio pari a un milione di masse solari, un fatto piuttosto insolito per una galassia delle sue dimensioni.

Eso 495-21 si trova a 30 milioni di anni luce in direzione della costellazione della Bussola e questa immagine è stata scattata dal telescopio spaziale di Nasa ed Esa Hubble.

Studiare Eso 495-21 è utile per capire come le prime galassie sia siano formate dopo il Big Bang, mentre il buco nero supermassiccio trovato nel suo “cuore” è un laboratorio senza pari per i ricercatori, alcuni dei quali credono che i buchi neri possono essersi formati per primi, con le galassie che successivamente si sono sviluppate attorno a loro.

Messier 90, la galassia che va contromano

In questa di Hubble vediamo Messier 90, una galassia a spirale situata a circa 60 milioni di anni luce dalla Via Lattea. L’immagine è una combinazione di luce infrarossa, ultravioletta e visibile e i dati provengono dalla Wide Field and Planetary Camera 2. Crediti: Esa / Hubble e Nasa, W. Sargent et al.

Ecco a voi Messier 90 (M90), la galassia a spirale che “pian piano” si avvicina alla Via Lattea. Questa galassia a spirale si trova a 90 milioni di anni luce dalla nostra ed è parte dell’ammasso della Vergine. M90 è una delle poche galassie che sta venendo verso di noi, nonostante l’universo si stia espandendo.

Il movimento della luce di quest’oggetto viene rilevato tramite il cosiddetto blueshift, che è esattamente il contrario del redshift. La galassia sta comprimendo la lunghezza d’onda della sua luce mentre si muove verso di noi: man mano che si avvicina, l’onda viene schiacciata, ciò aumenta la frequenza della luce e la sposta verso la parte blu dello spettro. Quasi tutte le galassie che conosciamo si stanno invece allontanando da noi e quindi vediamo la loro luce virare verso la parte rossa dello spettro (appunto, redshift).

Cosa provoca questo raro comportamento? Secondo gli astronomi, il blueshift può essere causato dall’immensa massa dell’ammasso in cui “abita” M90, che accelera le sue galassie ad alte velocità, inviandole nel corso del tempo su percorsi particolari, sia verso di noi sia lontano da noi. L’ammasso della Vergine si sta allontanando, mentre M90 si muove più velocemente: ecco perché, dalla Terra, vediamo la galassia dirigersi verso di noi.

L’immagine in alto è stata scattata dalla Wide Field and Planetary Camera 2 a bordo dell’Hubble Space Telescope di Nasa/Esa e operativa fino al 2010.

La Galassia Triangolo in posa per Hubble

La Galassia del Triangolo, o M33, è stata fotografata nuovamente dal telescopio Hubble usando l’Advanced Camera for Surveys. Con una dimensione impressionante di quasi 665 milioni di pixel, è la seconda immagine più grande mai pubblicata da Hubble. Crediti: Nasa, Esa e M. Durbin, J. Dalcanton e B. F. Williams (University of Washington)

La Galassia del Triangolo si trova a soli 3 milioni di anni luce dalla Terra ed è stata recentemente fotografata dal telescopio Hubble con l’Advanced Camera for Surveys. Il satellite di Nasa ed Esa ha catturato 665 milioni di pixel facendo di questa la seconda fotografia più grande mai scattata durante i suoi anni in orbita. Si tratta di un gigantesco mosaico composto da 54 immagini separate.

Questa galassia, conosciuta anche come M33, misura 60 mila anni luce di diametro ed è la terza per dimensioni e numero di stelle nel Gruppo Locale di galassie, con la Via Lattea, Andromeda e altre 50 altra galassie più piccole. M33 può essere anche vista a occhio nudo, se siete fortunati, nella costellazione che porta lo stesso nome (Triangolo). Se riuscite a trovarla, provate anche a contare le sue stelle: dai 10 ai 15 milioni di esemplari! È considerato l’oggetto celeste più lontano visibile senza supporti ottici.

A differenza della Via Lattea e di Andromeda, M33 non ha un nucleo centrale brillante e dei lunghi e definiti bracci a spirale. La sua particolarità è che contiene un’enorme quantità di gas e polvere, il che favorisce una rapida formazione stellare. Ecco perché gli scienziati hanno deciso di continuare a studiare questa galassia.

Materia oscura? È là dove stelle si vanno a posare

Luce intracluster nel cluster Abell S1063. Crediti: Nasa/Esa/Hubble Space Telescope

In un articolo pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vengono esposti i risultati di uno studio realizzato grazie ai dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble della Nasa/Esa nell’ambito del programma Frontier Fields. I dati sono stati letti applicando un metodo che gli autori dello studio hanno definito “rivoluzionario”, perché permetterebbe di rilevare la materia oscura presente negli ammassi di galassie in modo più preciso rispetto a qualunque altro metodo a oggi noto. Un metodo che potrà, dunque, aiutarci ad esplorare la sua natura misteriosa.

«Abbiamo trovato un modo per “vedere” la materia oscura», dice Mireia Montes della University of New South Wales, in Australia, prima firmataria dello studio. «Abbiamo scoperto che la debole luce negli ammassi di galassie, la luce all’interno dell’ammasso, mappa la distribuzione della materia oscura».

La luce intracluster – all’interno degli ammassi – è un sottoprodotto delle interazioni tra galassie. In pratica, nel corso di queste interazioni, singole stelle vengono in qualche modo “strappate via” dalla propria galassia e prendono a fluttuare all’interno dell’ammasso, finché non vanno a posarsi nella regione in cui si trova la maggior parte della massa del cluster, che per lo più sarebbe composta di materia oscura.

«Queste stelle hanno una distribuzione identica a quella della materia oscura», spiega Montes, «almeno per quanto la tecnologia che abbiamo a disposizione ci permette di studiare». Lo studio dimostra che la luce all’interno dell’ammasso, proveniente dalle stelle isolate che si depositano negli spazi in cui la materia oscura è presente, sarebbe correlata alla materia oscura, tracciandone la distribuzione in modo più accurato di ogni altro metodo basato sui traccianti luminosi finora utilizzato.

Questa immagine di Hubble mostra il cluster MACS J0416.1–2403. Uno dei 6 studiati dal programma Frontier Fields.
Crediti: Nasa/Esa/Hubble Space Telescope

Il metodo presentato da Montes utilizza solo immagini di campo profondo. Questo significa che, con il nuovo metodo, è possibile studiare un numero maggiore di ammassi in rapporto allo stesso tempo di osservazione.

«Se la materia oscura fosse in qualche modo “auto-interagente”, potremmo rilevare delle piccole deviazioni nella sua distribuzione rispetto a questo debole bagliore stellare», sottolinea Ignacio Trujillo dell’Instituto de Astrofísica de Canarias, in Spagna, co-autore dello studio. «Attualmente tutto ciò che è noto della materia oscura è che sembra interagire con la materia “normale” solo da un punto di vista gravitazionale. Se scoprissimo che essa in qualche modo “auto-interagisce”, potremmo tracciare meglio i caratteri della sua identità».

Per ora gli autori hanno già in programma di ampliare il campione di sei cluster analizzato, per testare l’accuratezza del loro metodo. Bisognerà poi attendere il confronto con i risultati su ulteriori ammassi di galassie che saranno realizzati da altri gruppi di ricerca applicando lo stesso metodo, per aggiungere dati in modo da confermare o meno i risultati.

Sarà anche interessante applicare il metodo proposto da questo gruppo per analizzare i dati ottenuti dalle osservazioni che saranno fatte con strumenti ancora più sensibili. Il James Webb Space Telescope, di prossimo lancio, potrà osservare la debole luce presente tra i vari ammassi nell’universo più remoto, e chissà che non si riesca davvero finalmente a far luce sulla materia oscura.

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L’evoluzione dell’universo in una sola foto

Utilizzando la capacità osservativa nell’ultravioletto del telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa, un gruppo di astronomi ha catturato una delle più grandi viste panoramiche dei fuochi artificiali cosmici sprigionati dalla nascita di nuove stelle in una parte remota dell’universo.

Il campo comprende circa 15mila galassie, di cui circa 12mila con attività di formazione stellare. La visione nella banda ultravioletta di Hubble permette di apprezzare al meglio questi fenomeni colossali che contraddistinguono l’universo in evoluzione, tracciando una mappa della natalità stellare negli ultimi 11 miliardi di anni, indietro fino al periodo che si ritiene più fecondo, accaduto circa 3 miliardi di anni dopo il Big Bang.

All’interno di questa nuova immagine composita sono presenti circa 15mila galassie – la maggior parte delle quali è in fase di formazione stellare – ampiamente distribuite nel tempo e nello spazio. Crediti: Nasa, Esa, P. Oesch (University of Geneva), M. Montes (University of New South Wales)

Combinando il ritratto in luce ultravioletta – finora mancante e non ottenibile da Terra, in quanto l’atmosfera filtra la maggior parte di tale luce – con i dati già ottenuti alle lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso, gli scienziati hanno potuto assemblare uno dei ritratti più completi della storia evolutiva dell’universo.

L’immagine colma il divario tra le galassie molto distanti, che possono essere viste solo nella luce infrarossa, e le galassie più vicine, osservabili invece in un ampio spettro di lunghezze d’onda. La luce proveniente da lontane regioni di formazione stellare presenti in remote galassie è stata emanata sotto forma di radiazione ultravioletta. Tuttavia, l’espansione dell’universo ne ha determinato lo “spostamento” verso lunghezze d’onda infrarosse.

Confrontando le immagini di formazione stellare nell’universo distante e in quello vicino – più antico il primo e più giovane il secondo – gli astronomi riescono a comprendere meglio in che modo le galassie vicine siano cresciute da piccoli gruppi di stelle giovani e calde, formatesi molto tempo addietro.

Questa immagine è una porzione del campo Goods-North (Great Observatories Origins Deep Survey), che si trova nella costellazione settentrionale dell’Orsa Maggiore. Gli scienziati precisano che il nuovo mosaico ottenuto è 14 volte l’area dell’Hubble Ultra Violet Ultra Deep Field rilasciato nel 2014.

Emissione laser dalla Nebulosa Formica

La Nebulosa Formica (o Clessidra) nell’immagine del telescopio spaziale Hubble. La forma è il risultato di una stella morente simile al Sole e di complesse interazioni nel suo nucleo. Crediti: Nasa, Esa the Hubble Heritage Team (Stsci/Aura)

Formica o Clessidra? Non importa il soprannome, la nebulosa Mz3, nella costellazione del Regolo, ha da sempre suscitato grande interesse nella comunità scientifica proprio per la sua bizzarra forma. Di recente un team internazionale di astronomi ha scoperto un’insolita emissione laser che suggerisce la presenza di un sistema binario nascosto nel cuore di questa nebulosa. Si tratta di un raro fenomeno connesso con la morte di stelle simili al nostro Sole: queste, quando sono molto vicine alla loro fine, espellono gli strati esterni fino ad arrivare al totale esaurimento del loro combustibile nucleare.

Il materiale espulso forma la nebulosa planetaria. Ma cos’è questa emissione? Utilizzando i dati raccolti dal telescopio Herschel dell’Esa, i ricercatori hanno osservato la drammatica scomparsa della stella centrale nel nucleo della Nebulosa a forma di formica (i due lobi ricordano la testa e il corpo dell’insetto, o anche una clessidra) in relazione a questa emissione laser proveniente dal centro. L’astronomo che classificò la nebulosa negli anni ’20 dandole il suo nome, Donald Menzel, fu anche uno dei primi a suggerire che in certe condizioni l’amplificazione della luce naturale mediante emissione stimolata di radiazioni (light amplification by stimulated emission of radiation, appunto “laser“) potrebbe verificarsi nelle nebulose nello spazio.

«Abbiamo rilevato un tipo molto raro di emissione, chiamata “emissione laser dovuta alla ricombinazione dell’idrogeno”, che viene prodotta solo in una ristretta gamma di condizioni fisiche. Tale emissione è stata identificata in una manciata di oggetti», spiega Isabel Aleman, a capo del gruppo di ricerca per l’Università di San Paolo, in Brasile. Si tratta di un tipo di emissione laser che richiede una grande quantità di gas molto denso vicino alla stella: il gas che emette il laser è circa 10mila volte più denso di quello osservato nelle tipiche nebulose planetarie e nei lobi della Nebulosa Formica.

«L’unico modo per tenere un gas così denso vicino alla stella», aggiunge Albert Zijlstra, del Jodrell Bank Center for Astrophysics presso l’Università di Manchester, «è la presenza di un disco». Presenza che suggerisce anche l’esistenza di una stella compagna, quindi di un sistema binario, «perché è difficile far entrare il gas espulso in orbita a meno che un’altra stella non lo faccia confluire nella giusta direzione: il laser ci offre un modo unico per sondare il disco attorno alla stella morente, nel profondo della nebulosa planetaria», anche se questa seconda stella risulta ancora nascosta agli “occhi” dei ricercatori.

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Hubble trova Lensed Star 1, la più lontana

Immagine composita della scoperta della stella più distante singolarmente individuata. Crediti: NASA/ESA e P. Kelly (University of California, Berkeley)

Nell’aprile 2016, un folto gruppo internazionale di astrofisici stava osservando con il telescopio spaziale Hubble l’evoluzione di una lontana supernova, soprannominata Refsdal in onore dell’astronomo norvegese Sjur Refsdal. Refsdal è stato un pioniere dello studio delle lenti gravitazionali, ovvero dell’effetto di deviazione indotto da una massa molto grande sul fascio di luce proveniente da una fonte retrostante rispetto al punto di vista terrestre; naturalmente la supernova a lui dedicata subisce esattamente questo effetto, a causa della deflessione della luce prodotta da un gigantesco ammasso di galassie frapposto.

Con grande sorpresa degli astronomi, nelle osservazioni Hubble di maggio 2016 accanto alla supernova si è materializzata una stellina. «Così come quella della supernova Refsdal, la luce di questa stella risulta intensificata, rendendola visibile da Hubble benché così lontana», spiega il team leader Patrick Kelly dell’Università del Minnesota. «Questa stella si trova infatti almeno 100 volte più lontano rispetto a qualunque stella che possiamo studiare individualmente, fatta naturalmente eccezione per le esplosioni di supernova».

La luce proveniente dalla stella appena scoperta, chiamata Lensed Star 1 (LS1), è stata emessa quando l’universo aveva solo circa il 30 per cento della sua età attuale, circa 4.4 miliardi di anni dopo il Big Bang. L’osservazione con Hubble è stata possibile solo grazie a un doppio effetto di ingrandimento che ha intensificato la luce della stella di duemila volte.

Particolare del gigantesco ammasso di galassie MACS J1149.5+223, con evidenziata la posizione in cui è apparsa la stella LS1, la cui immagini risulta ingrandita 2000 volte da un duplice effetto di lente e di micro-lente gravitazionale. La galassia in cui risiede la stella è visibile ripetuta tre volte a causa della forte distorsione indotta alla luce dall’ammasso di galassie. Crediti: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) e FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) e GLASS team; J. Lotz (STScI) e Frontier Fields team; M. Postman (STScI) e CLASH team; e Z. Levay (STScI)

Lensed Star 1 è divenuta sufficientemente luminosa per Hubble sia a causa del fenomeno di lente gravitazionale esercitato dall’intero ammasso di galassie MACS J1149-2223, sia grazie all’effetto di cosiddetta micro-lente indotto da un oggetto compatto – dalla massa pari a circa tre volte quella del Sole – presente all’interno dell’ammasso di galassie.

L’oggetto compatto può essere una normale stella, una stella di neutroni oppure un buco nero di dimensioni stellari. Lo studio della luce proveniente da LS1 permetterà, secondo gli autori dello studio, di conoscere meglio la composizione degli ammassi di galassie e, in particolare, dei loro costituenti più sfuggenti.

«Se la materia oscura è almeno parzialmente composta da buchi neri di massa relativamente bassa, com’è stato recentemente proposto, dovremmo essere in grado di trovare un’evidenza di questo nella curva di luce di LS1», commenta Kelly. «In realtà, le nostre osservazioni non avallano la possibilità che un’alta frazione di materia oscura sia costituita da questi buchi neri primordiali di circa 30 masse solari».

Basandosi sulle analisi spettrali, gli autori del nuovo studio ritengono che LS1 sia una stella supergigante di tipo B. Queste stelle sono estremamente luminose e di colore blu, con una temperatura superficiale compresa tra 11mila e 14mila gradi Celsius, circa il doppio del Sole.

Allo studio “Extreme magnification of an individual star at redshift 1.5 by a galaxy-cluster lens”, appena pubblicato su Nature Astronomy, hanno partecipato anche gli italiani Claudio Grillo dell’Università di Milano, Mario Nonino dell’Inaf di Trieste e Piero Rosati dell’Università di Ferrara

Braccio di ferro ai confini della Via Lattea

Alla periferia della nostra galassia è in atto un braccio di ferro cosmico tra due galassie nane: la Grande Nube di Magellano e la Piccola Nube di Magellano, entrambe orbitanti attorno alla nostra Via Lattea. Le due galassie ruotano anche l’una attorno all’altra, strattonandosi a vicenda, e una delle due è riuscita a strappare un’enorme nube di gas alla sua compagna.

Chiamato Braccio Avanzato, è il vasto campo frastagliato di nubi di idrogeno che collegano la Via Lattea alle Nubi di Magellano. È grande quanto la metà della nostra galassia e si pensa abbia circa uno o due miliardi di anni. Il suo nome deriva dal fatto che sta conducendo il movimento delle Nubi di Magellano. L’enorme concentrazione di gas presente nell’arco viene divorata dalla Via Lattea e va ad alimentare la nascita di nuove stelle nella nostra galassia. Ma a quale galassia apparteneva il gas che si sta mangiando la Via Lattea? O, in altre parole, nel braccio di ferro tra le due galassie nane, chi sta vincendo?

Hubble misura il contenuto del Braccio Avanzato della Corrente Magellanica. Crediti: D. Nidever et al., NRAO/AUI/NSF and A. Mellinger, Leiden-Argentine-Bonn (LAB) Survey, Parkes Observatory, Westerbork Observatory, Arecibo Observatory, and A. Feild.

Dopo un dibattito durato anni, grazie all’Hubble Space Telescope, gli scienziati hanno finalmente trovato la risposta a questo mistero. «Inizialmente la domanda che ci siamo posti è stata: il gas che vediamo proviene dalla Grande Nube di Magellano o dalla Piccola Nube di Magellano? A prima vista, sembrerebbe che l’arco porti alla grande nube di Magellano», ha spiegato Andrew Fox dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland. «La risposta però l’abbiamo trovata in modo diverso, ossia rispondendo a un’altra domanda: di cosa è fatto il Braccio Avanzato? La sua composizione è quella della Grande Nube di Magellano o della Piccola Nube di Magellano?».

La ricerca di Fox è il seguito di un lavoro pubblicato nel 2013, dedicato alla Corrente Magellanica, il cui gas si è visto provenire da entrambe le galassie nane. Ora Fox si domanda l’origine della sua controparte: il Braccio Avanzato. A differenza del Corrente Magellanica, questo “braccio” sbrindellato e lacerato ha già raggiunto la Via Lattea e sta sopravvivendo al passaggio attraverso il disco galattico. Rappresenta il classico esempio di accrescimento di gas da parte di una galassia, in tempo reale. Questo processo è molto difficile da vedere nelle galassie al di fuori della Via Lattea, perché sono troppo distanti e troppo deboli. «Poiché queste due galassie sono nel nostro cortile, ci ritroviamo ad avere un posto in prima fila per seguire l’azione», ha detto il collaboratore Kat Barger della Texas Christian University.

Fox e il suo team hanno usato la vista ultravioletta di Hubble per analizzare il gas nel Braccio Avanzato da un punto di vista chimico. Hanno osservato la luce di sette quasar, i nuclei luminosi di galassie attive che risiedono a miliardi di anni luce oltre questa nube di gas. Usando il Cosmic Origins Spectrograph di Hubble, gli scienziati hanno misurato come la luce dei quasar viene filtrata dalle nubi presenti del braccio. In particolare, hanno cercato l’assorbimento della luce ultravioletta da parte dell’ossigeno e dello zolfo presenti nella nube, che rappresentano due buoni indicatori di quanti elementi più pesanti si trovano nel gas. Il team ha poi confrontato le misure di Hubble con le misure dell’idrogeno fatte dal National Science Foundation’s Robert C. Byrd Green Bank Telescope presso l’Osservatorio Green Bank in West Virginia, così come quelle di altri radiotelescopi. «Con la combinazione delle osservazioni di Hubble e del Green Bank Telescope, possiamo misurare la composizione e la velocità del gas per determinare quale galassia nana è la responsabile», ha spiegato Barger. Dopo molte analisi, il team ha finalmente trovato le “impronte digitali” che gli hanno permesso di capire l’origine del gas del braccio avanzato. «Abbiamo scoperto che il gas corrisponde alla piccola nube di Magellano», ha detto Fox. «Questo indica che la grande nube di Magellano sta vincendo il braccio di ferro, perché è riuscita a estrarre così tanto gas dalla sua vicina più piccola».

Questa scoperta è stata possibile solo grazie alla capacità di Hubble di riuscire a compiere osservazioni nell’ultravioletto, cosa impraticabile da Terra a causa dell’effetto filtrante della nostra atmosfera. Hubble è l’unico in grado di farlo», ha spiegato Fox. «Tutte le righe spettrali di interesse, tra cui l’ossigeno e lo zolfo, sono nell’ultravioletto. Quindi uno strumento che lavora nell’ottico e nell’infrarosso, non puoi vederle».

Il gas dal Braccio Avanzato ora sta attraversando il disco della nostra galassia. Mentre la attraversa, interagisce con il gas della Via Lattea, frammentandosi. Questo caso rappresenta un’opportunità di studio unica e importante per capire come il gas entra nelle galassie e alimenta la formazione di nuove stelle. Per capire l’afflusso di gas in altre galassie, gli astronomi usano simulazioni ma in questo caso il gas viene catturato mentre attraversa il disco della Via Lattea. Potrebbe succedere che, in futuro, pianeti e sistemi solari nella nostra galassia nasceranno dal materiale che una volta faceva parte della Piccola Nube di Magellano. Fox e il suo team sperano ora di riuscire a tracciare le dimensioni del Braccio Avanzato, ancora sconosciute.

Per saperne di più:

  • Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Chemical Abundances in the Leading Arm of the Magellanic Stream” di Andrew J. Fox, Kathleen A. Barger, Bart P. Wakker, Philipp Richter, Jacqueline Antwi-Danso, Dana I. Casetti-Dinescu, J. Christopher Howk, Nicolas Lehner, Elena D’Onghia, Paul A. Crowther, and Felix J. Lockman