L’intrigante atmosfera di Titano

Immagine ottica di Titano ripresa da Cassini. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Space Science Institute

Titano, la luna più grande di Saturno, sta suscitando molto interesse per via della sua atmosfera unica contenente molecole organiche, che costituiscono di fatto un ambiente prebiotico. In particolare, un ricercatore dell’Università di Tokyo, Takahiro Iino, ha utilizzato l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) per rilevare i processi chimici che avvengono nell’atmosfera di Titano, trovando segnali deboli ma ben definiti di acetonitrile (CH3CN) e del suo raro isotopomero CH3C15N.

La luna di Saturno è uno degli oggetti più osservati da Alma. I dati ottenuti dall’osservatorio devono essere calibrati per rimuovere le fluttuazioni dovute a variazioni temporali del sito, così come eventuali problemi di natura meccanica. Come riferimento per la calibrazione, gli astronomi puntano il radiotelescopio su sorgenti molto luminose, come appunto Titano, ogni qualvolta devono compiere osservazioni scientifiche. Pertanto, nell’archivio scientifico di Alma è presente una grande quantità di dati relativi a Titano. Iino e il suo team hanno scavato nell’archivio e analizzato nuovamente i dati relativi a Titano, trovando le impronte digitali di CH3C15N, in quantità molto ridotte.

«Abbiamo scoperto che l’abbondanza di 14N nell’acetonitrile è maggiore rispetto a quella nelle altre specie che contengono azoto, come HCN e CH3CN», afferma Iino. «Tale abbondanza corrisponde piuttosto bene a quella trovata con recenti simulazioni di processi chimici nei quali sono coinvolti raggi cosmici ad alta energia».

Gli attori più importanti nei processi chimici che avvengono nell’atmosfera sono due: la luce ultravioletta (Uv) proveniente dal Sole e i raggi cosmici provenienti dall’esterno del Sistema solare. Nella parte superiore dell’atmosfera, la luce Uv distrugge in modo selettivo le molecole di azoto contenenti 15N, poiché la luce Uv con la lunghezza d’onda specifica che interagisce con le molecole di 14N viene assorbita facilmente a quell’altitudine. Pertanto, le specie portatrici di azoto prodotte a quell’altitudine tendono ad esibire un’elevata abbondanza di 15N. D’altra parte, i raggi cosmici penetrano più in profondità e interagiscono con le molecole di azoto contenenti 14N. Di conseguenza, è evidente una differenza nell’abbondanza di molecole con 14N e 15N. Il team ha scoperto che nell’acetonitrile presente nella stratosfera è più abbondante l’isotopo 14N rispetto ad altre molecole contenenti azoto precedentemente misurate.

Spettri presi da Alma dell’atmosfera di Titano CH3CN e CH3C15N. Le linee verticali tratteggiate indicano la frequenza delle linee di emissione delle due molecole, previste da un modello teorico. Crediti: Iino et al. (The University of Tokyo)

«Partiamo dal presupposto che i raggi cosmici di origine galattica svolgano un ruolo importante nelle atmosfere di altri sistemi solari», dice Hideo Sagawa, professore associato all’Università Sangyo di Kyoto e membro del gruppo di ricerca. «Il processo potrebbe essere universale, quindi comprendere il ruolo dei raggi cosmici nell’atmosfera di Titano è cruciale per la planetologia, in generale».

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Alma e Rosetta sulle tracce del fosforo

Questa infografica mostra i risultati chiave di uno studio che ha rivelato la traccia interstellare del fosforo, uno dei mattoni costitutivi della vita. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), Rivilla et al.; Eso/L. Calçada; Esa/Rosetta/NavCam; Mario Weigand, www.SkyTrip.de

«La vita è apparsa sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa, ma non conosciamo ancora i processi che l’hanno resa possibile», dice Víctor Rivilla, autore principale di un nuovo studio pubblicato oggi dalla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. I nuovi risultati di Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), di cui l’Osservatorio europeo australe (Eso) è partner, e dello strumento Rosina a bordo di Rosetta mostrano che il monossido di fosforo è un elemento chiave nel rompicapo sull’origine della vita.

Con la potenza di Alma, che ha permesso uno sguardo dettagliato nella regione di formazione stellare Afgl 5142, gli astronomi sono stati in grado di individuare i luoghi in cui si formano molecole contenenti fosforo, come il monossido di fosforo. Nuove stelle e sistemi planetari sorgono in regioni, simili a nubi, formate da gas e polvere sparsi tra le stelle, rendendo queste nubi interstellari i luoghi ideali da cui iniziare la ricerca dei mattoni costitutivi della vita.

Le osservazioni Alma hanno mostrato che le molecole che contengono fosforo vengono create quando si formano stelle massicce. Flussi di gas da stelle giovani e massicce scavano cavità nelle nubi interstellari. Le molecole contenenti fosforo si formano sulle pareti della cavità, attraverso l’azione combinata di urti e radiazioni della giovane stella. Gli astronomi hanno anche dimostrato che il monossido di fosforo è la molecola più abbondante sulle pareti della cavità, tra tutte le molecole contenenti fosforo.

Dopo aver cercato questa molecola nelle regioni di formazione stellare con Alma, il gruppo europeo è passato a un oggetto del Sistema Solare: l’ormai famosa cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko. L’idea era di seguire le tracce di questi composti contenenti fosforo. Se le pareti della cavità collassano per formare una stella, in particolare una non particolarmente massiccia, come il Sole, il monossido di fosforo può congelarsi e rimanere intrappolato nei granelli di polvere ghiacciata che rimangono intorno alla nuova stella. Ancor prima che la stella sia completamente formata, i granelli di polvere si uniscono per formare sassolini, rocce e infine comete, che diventano così trasportatori di monossido di fosforo.

Rosina, acronimo che sta per Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis, ha raccolto dati da 67P per due anni, mentre Rosetta era in orbita intorno alla cometa. Gli astronomi avevano già trovato tracce di fosforo nei dati di Rosina, ma non sapevano di quale molecola si trattasse. Kathrin Altwegg, principal investigator di Rosina e co-autrice del nuovo studio, ha avuto un suggerimento su quale potesse essere questa molecola dopo essere stata avvicinata a una conferenza da un’astronoma che studiava con Alma le regioni di formazione stellare: «Mi disse che il monossido di fosforo sarebbe un candidato molto probabile, quindi sono tornata a verificare i nostri dati ed eccolo lì!».

La regione di formazione stellare Afgl 5142vista da Alma. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), Rivilla et al.

Questo primo avvistamento del monossido di fosforo su una cometa aiuta gli astronomi a stabilire una connessione tra le regioni di formazione stellare, dove la molecola viene creata, fino alla Terra.

«La combinazione dei dati di Alma e di Rosina ha rivelato una sorta di filo chimico durante l’intero processo di formazione stellare, in cui il monossido di fosforo svolge il ruolo dominante», spiega Rivilla, ricercatore all’Osservatorio astrofisico di arcetri dell’Inaf, l’Istituto nazionale di astrofisica italiano.

«Il fosforo è essenziale per la vita come la conosciamo», aggiunge Altwegg. «Dato che le comete hanno probabilmente fornito grandi quantità di composti organici alla Terra, il monossido di fosforo trovato nella cometa 67P potrebbe rafforzare il legame tra le comete e la vita sulla Terra».

Questo affascinante viaggio ha potuto essere documentato grazie alla collaborazione tra astronomi. «Il rilevamento del monossido di fosforo è stato chiaramente ottenuto grazie a uno scambio interdisciplinare tra telescopi sulla Terra e strumenti nello spazio», commenta Altwegg.

Leonardo Testi, astronomo dell’Eso e responsabile europeo delle operazioni di Alma, conclude: «Comprendere le nostre origini cosmiche, tra cui quanto siano comuni le condizioni chimiche favorevoli all’emergenza della vita, è uno dei temi principali dell’astrofisica moderna. Mentre Eso e Alma si concentrano sulle osservazioni di molecole in giovani sistemi planetari distanti, l’esplorazione diretta dell’inventario chimico all’interno del Sistema solare è resa possibile dalle missioni Esa, come Rosetta. La sinergia tra le strutture terrestri e spaziali all’avanguardi a livello mondiale, attraverso la collaborazione tra Eso ed Esa, è una risorsa preziosa per i ricercatori europei e consente scoperte rivoluzionarie come quella riportata in questo articolo».

Fonte: comunicato stampa Eso

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Là dove si riversa il gas si nascondono pianeti

Illustrazione artistica del disco protoplanetario di gas e polveri attorno alla giovane stella Hd 163296. Crediti: Robin Dienel, Carnegie Institution for Science

I dischi circumstellari che circondano le giovani stelle sono vere e proprie culle planetarie. Strutture nelle quali prendono forma i nuovi mondi che andranno poi a formare il futuro sistema planetario. Sono dunque le strutture ideali da studiare per comprendere i processi di formazione planetaria.

Le immagini ottenute a partire dai dati dell’array di telescopi Alma, in Cile, mostrano diverse strutture formate da questi dischi di gas e polveri. Materia distribuita uniformemente tranne in alcuni punti, dove sono presenti i cosiddetti gaps: solchi nella trama di questi dischi. Cosa c’è dentro a queste “tane discali”? L’ipotesi degli scienzati è che contengano pianeti in formazione. Un’ipotesi già verificata in numerosi studi e ulteriormente validata in quello condotto da un team di scienziati guidato da Richard Teague, dell’università del Michigan, pubblicato oggi su Nature.

Ciò che gli astronomi hanno fatto per arrivare a questa conclusione, oltre a studiare le polveri del disco, è stato analizzare il comportamento del gas – il 99 per cento della massa del disco protoplanetario – sfruttando le potenzialità delle antenne dell’array di telescopi Alma di captare la luce a lunghezza d’onda millimetrica emessa dal monossido di carbonio, uno dei gas che costituiscono il disco.

In particolare, utilizzando i dati ottenuti da Alma nell’ambito del progetto Disk Substructures at High Angular Resolution,  Teague e colleghi hanno determinato le velocità di rotazione nelle tre dimensioni dei gas attorno al disco di Hd 163296, giovane e studiatissima (qui tre articoli su Media Inaf) stella di massa circa doppia di quella del Sole situata a 330 anni luce dalla Terra. E hanno trovato una variazione nella velocità di rotazione del gas in tre diverse posizioni: a 87, 140 e 237 unità astronomiche.

Tre siti nei quali, per la prima volta, è stata osservata una cascata del gas dagli strati superiori verso il centro del disco protoplanetario. Una cascata di gas la cui esistenza è stata suggerita da modelli teorici già dagli anni ’90.

«Ciò che probabilmente accade è che un pianeta in orbita attorno alla stella sposta il gas e la polvere, aprendo un varco», dice Teague. «Il gas al di sopra del solco così prodotto collassa al suo interno come una cascata, dando origine a un flusso rotazionale di gas lungo il disco».

Crediti: Nrao/Aui/Nsf, B. Saxton

Per verificare se i solchi potessero realmente ospitare pianeti in formazione, i ricercatori si sono avvalsi di simulazioni ottenute utilizzando il modello computazionale di un sistema stellare. Ebbene, i risultati indicano che le cascate di gas osservate possono essere spiegate dalla presenza di tre pianeti con masse pari alla metà, all’equivalente e al doppio della massa di Giove rispettivamente per il solco più vicino, a 87 unità astronomiche, il mediano, a 140 unità astronomiche, e il più distante, a 237 unità astronomiche.

L’osservazione delle cascate di gas – oltre a offrire un’ulteriore conferma dell’esistenza, intorno ad Hd 163296, di pianeti che si stanno formando – contribuisce anche a spiegare l’origine dell’atmosfera dei giganti gassosi.

«I pianeti si formano nello strato intermedio del disco, il cosiddetto piano mediano: un luogo freddo», spiega Teague, «protetto dalle radiazioni della stella. Pensiamo che i solchi causate dai pianeti portino gas più caldo dagli strati esterni – chimicamente più attivi – del disco verso l’interno, e che sia questo gas a formare l’atmosfera planetaria».

«Ora abbiamo un quadro molto più completo della formazione dei pianeti rispetto a quello che immaginavamo», osserva Ted Bergin, coautore dello studio. «Caratterizzando questi flussi possiamo comprendere la formazione di pianeti come Giove e descrivere la loro composizione chimica alla nascita».

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Un pretzel cosmico

Crediti: Alma (Eso/Napj/Nrao), Alves et al.

Alcuni astronomi hanno utilizzato Alma per ottenere un’immagine ad altissima risoluzione che mostra due dischi in cui crescono giovani stelle, alimentati da una complessa rete di filamenti di gas e polvere… a forma di pretzel. L’osservazione di questo straordinario fenomeno getta nuova luce sulle prime fasi della vita delle stelle e aiuta gli astronomi a determinare le condizioni in cui si formano le stelle binarie.

Le due stelline sono state trovate nel sistema [BHB2007] 11 – il membro più giovane di un piccolo ammasso stellare nella nebulosa oscura Barnard 59, che fa parte delle nubi di polvere interstellare chiamate nebulosa Pipa. Precedenti osservazioni di questo sistema binario avevano mostrato la struttura esterna. Ora, grazie all’alta risoluzione di Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) e a un gruppo internazionale di astronomi guidato da scienziati dell’Istituto Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Mpe) in Germania, possiamo vedere la struttura interna di questo oggetto .

«Vediamo due sorgenti compatte che interpretiamo come dischi circumstellari intorno alle due giovani stelle», spiega Felipe Alves di Mpe, che ha guidato lo studio. Un disco circumstellare è l’anello di polvere e gas che circonda una giovane stella. La stella accresce la materia dall’anello per ingrandirsi. «La dimensione di ciascuno di questi dischi è simile a quella della fascia di asteroidi nel Sistema solare e la separazione tra loro è 28 volte la distanza tra il Sole e la Terra», osserva Alves.

I due dischi circumstellari sono circondati da un disco più grande, con una massa totale equivalente a circa 80 volte la massa di Giove, che mostra una complessa rete di strutture di polvere distribuite in forme a spirale – gli anelli del pretzel. «Questo è un risultato davvero importante», sottolinea Paola Caselli, direttore a Mpe, a capo del Centro di studi astrochimici e coautrice dello studio. «Abbiamo finalmente prodotto l’immagine della complessa struttura delle giovani stelle binarie con i loro filamenti che le alimentano e le collegano al disco in cui sono nate. Ciò fornisce importanti vincoli per gli attuali modelli di formazione stellare».

Le stelle infanti accrescono massa dal disco più grande in due fasi. Il primo stadio è quando la massa viene trasferita ai singoli dischi circumstellari in bellissimi anelli rotanti, che è ciò che ha mostrato la nuova immagine Alma. L’analisi dei dati ha anche rivelato che il disco circumstellare meno massiccio ma più luminoso – quello nella parte inferiore dell’immagine – accumula più materiale. Nel secondo stadio, le stelle raccolgono massa dai loro dischi circumstellari. «Ci aspettiamo che questo processo di accrescimento a due livelli guidi la dinamica del sistema binario durante la sua fase di accrescimento di massa», aggiunge Alves. «Sebbene il buon accordo di queste osservazioni con la teoria sia già molto promettente, avremo bisogno di studiare in dettaglio un maggior numero di giovani sistemi binari per capire meglio come si formano le stelle multiple».

Fonte: comunicato stampa Eso

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Il luna park dei sistemi doppi

Impressione artistica del sistema Hd 98000, un sistema stellare costituito da due stelle simili al Sole, circondate da uno spesso disco di materiale. La stranezza di questo sistema è che il piano orbitale delle stelle è inclinato di quasi 90 gradi rispetto al piano del disco, le cui dimensioni sono circa quattro volte la larghezza dell’orbita della Terra attorno al Sole. Crediti: University of Warwick/Mark Garlick

Una nuova ricerca, guidata dall’Università di Warwick (Uk) e presentata sulla rivista Nature Astronomy, ha permesso di scoprire il primo esempio di sistema stellare doppio nel quale il disco di gas e polvere circostante, chiamato disco circumbinario, risulta inclinato in posizione perpendicolare rispetto al piano orbitale delle due stelle. Il team internazionale di astronomi coinvolto nella ricerca ha utilizzato l’Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array (Alma) per ottenere immagini ad alta risoluzione del disco, delle dimensioni della fascia degli asteroidi. Fino ad ora, questa configurazione era stata prevista dai modelli teorici ma mai osservata. L’osservazione di Alma dimostra che dischi polari di questo tipo esistono e potrebbero anche essere relativamente comuni.

«I dischi ricchi di gas e polvere si osservano in quasi tutte le stelle giovani, e sappiamo che almeno un terzo di quelli che orbitano attorno a stelle singole formano pianeti. Alcuni di questi pianeti finiscono per essere disallineati con la rotazione della stella, quindi ci siamo chiesti se una cosa simile potesse essere possibile anche per pianeti circumbinari», racconta Grant M. Kennedy, del Department of Physics and Centre for Exoplanets and Habitability dell’Università di Warwick, primo autore dell’articolo. «Una fortuita circostanza nella dinamica del sistema potrebbe portare a un cosiddetto disallineamento polare, ma fino ad oggi non avevamo mai riscontrato evidenze di dischi disallineati in cui questi pianeti potrebbero formarsi».

Kennedy e colleghi hanno usato Alma per definire con precisione l’orientamento dell’anello di gas e polvere del sistema. L’orbita del sistema binario era precedentemente nota dalle osservazioni che hanno permesso di quantificare il modo in cui le stelle si muovono in relazione l’una all’altra. Combinando queste due informazioni, sono stati in grado di stabilire che l’anello di polvere è compatibile con un’orbita perfettamente polare. Ciò significa che mentre le stelle orbitano l’una attorno all’altra su un piano, come due cavalli che girano su una giostra, il disco che circonda queste stelle forma un angolo retto rispetto alle loro orbite, come una gigantesca ruota panoramica con la giostra al centro.

Impressione artistica del sistema Hd 98000. Crediti: University of Warwick/Mark Garlick

«Forse la cosa più eccitante di questa scoperta è che il disco presenta alcune firme che attribuiamo alla crescita della polvere nei dischi attorno alle stelle singole»  continua Kennedy. «Con questo intendo dire che in questi dischi circumbinari potrebbe avere inizio la formazione dei pianeti. Se anche il resto del processo di formazione del pianeta potesse avere luogo, potrebbe esserci un’intera popolazione di pianeti circumbinari che dobbiamo ancora scoprire, soggetti a strane variazioni stagionali».

Se sul bordo interno dell’anello di polvere fosse presente un pianeta o un planetoide, dalla sua superficie l’anello apparirebbe come una banda larga che sale quasi perpendicolarmente dall’orizzonte. La configurazione polare implica che le stelle sembrerebbero muoversi dentro e fuori dal piano del disco, riuscendo a dare agli oggetti due ombre. Su pianeti appartenenti a tali sistemi, anche le stagioni sarebbero diverse. Sulla Terra variano durante l’anno mentre orbitiamo intorno al Sole. Un pianeta in orbita circumpolare avrebbe stagioni che variano anche quando latitudini diverse ricevono più o meno illuminazione lungo l’orbita binaria.

«Pensavamo che si potessero formare altri sistemi solari come il nostro, con pianeti che orbitano tutti nella stessa direzione attorno ad un unico sole. Ma con le nuove immagini vediamo un disco vorticoso di gas e polvere in orbita intorno a due stelle. È stato sorprendente scoprire che il disco orbita ad angolo retto rispetto all’orbita delle due stelle», ha aggiunto Daniel Price, del Centre for Astrophysics and School of Physics and Astronomy dell’Università di Monash (Moca). «Incredibilmente, sono state viste altre due stelle in orbita su quel disco. Quindi, se ci fossero pianeti in quel disco, nel loro cielo ci sarebbero quattro soli!»

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Alma saluta la cometa di Natale

Il 2 dicembre 2018 Alma ha fotografato la cometa 46P/Wirtanen. L’immagine mostra la concentrazione e la distribuzione delle molecole di acido cianidrico (HCN) attorno alla chioma della cometa. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao); M. Cordiner, Nasa/Cua

Lo scorso 16 dicembre la cosiddetta “cometa di Natale“, meglio conosciuta come 46P/Wirtanen, ha effettuato il suo passaggio ravvicinato alla Terra, permettendo ad astrofotografi professionisti e amatoriali di riprenderla in tutta la sua sfuggente bellezza. Ma l’oggetto è stato monitorato per settimane prima del suo arrivo. Le potenti antenne cilene dell’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) hanno “fotografato” la cometa lo scorso 2 dicembre riuscendo a “zoommare” nella regione più interna della sua chioma (cioè l’involucro gassoso che avvolge il nucleo).

La cometa si trovava a 16,5 milioni di chilometri dalla Terra, mentre al momento del perigeo, ovvero il punto della sua traiettoria più vicino al nostro pianeta, è arrivata a “soli” 11,6 milioni di chilometri (30 volte la distanza Terra-Luna). Con Alma è stato possibile riprendere il bagliore del suo nucleo provocato dalle molecole di acido cianidrico. Nell’immagine si vede perfettamente, infatti, una compatta regione di gas che avvolge la cometa.

A sinistra la cometa 46P/Wirtanen ripresa da Alma nel radio e a destra un’immagine ottica dello stesso oggetto. L’immagine di Alma ha circa 1000 volte la risoluzione dell’immagine ottica e ingrandisce la porzione interna della chioma della cometa. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), M. Cordiner, Nasa/Cua; Derek Demeter, Emil Buehler Planetarium

Gli strumenti ottici (come mostrato sopra) non possono dare gli stessi risultati di strumenti radio come Alma, progettati per risolvere anche i dettagli più piccoli dell’Universo. Le due immagini, ottica e radio, a prima vista possono sembrare simili ma le differenze sono molte: l’immagine di Alma ha ripreso un’area 1000 volte più piccola rispetto allo strumento ottico (in questo caso una fotocamera digitale professionale accoppiata a un telescopio da 190 millimetri di diametro).

Scrigno di pianeti sconosciuti a 450 anni luce

Osservando un campione di giovani stelle in una regione di formazione stellare nella costellazione del Toro, un gruppo internazionale di astronomi ha scoperto che molte di esse sono circondate da strutture interpretabili come tracce create da pianeti giovani e in via di sviluppo, alcuni dei quali potrebbero raggiungere la dimensione di Nettuno o delle super Terre (pianeti fino a 20 masse terrestri). Allo studio, pubblicato oggi su The Astrophysical Journal e la cui autrice principale è Feng Long dell’Università di Pechino, hanno collaborato per l’Italia le ricercatrici dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) Brunella Nisini ed Elisabetta Rigliaco e i professori di Università Statale di Milano e associati Inaf Giuseppe Lodato ed Enrico Ragusa.

Galleria delle immagini dei dischi ottenute con Alma, osservando simultaneamente con 45 antenne. Fino a poco tempo fa, tali dischi protoplanetari erano ritenuti lisci e privi di strutture. I risultati recenti ottenuti dal team di Feng Long mostrano che alcuni dischi appaiono come una serie di anelli, probabilmente scolpiti da pianeti altrimenti invisibili. Crediti: Feng Long

4,6 miliardi di anni fa, il Sistema solare era un turbinio di gas e polvere che ruotava intorno al nostro sole appena nato. Nelle fasi iniziali, questo cosiddetto disco protoplanetario non aveva caratteristiche specifiche, ma presto parti di esso iniziarono a fondersi in gruppi di materia – i futuri pianeti. Con passare del tempo, il disco polveroso lasciò il posto alla disposizione relativamente ordinata che noi conosciamo oggi, composta da pianeti, lune, asteroidi. Questo scenario di formazione del nostro Sistema solare è stato ricostruito dagli scienziati in base alle osservazioni di dischi protoplanetari attorno ad altre stelle, abbastanza giovani da essere in questo momento nel processo di formazione planetaria.

Utilizzando l’Atacama Large Millimeter Array (Alma), composto da 45 antenne radio e situato nel deserto di Atacama, in Cile, il gruppo di ricercatori autori del nuovo studio – svolto nell’ambito del progetto Genesis-Ska – ha eseguito un’analisi di giovani stelle nella regione di formazione stellare del Toro, una vasta nube di gas e polveri situata a 450 anni luce da Terra. Osservando l’emissione della polvere di 32 stelle circondate da dischi protoplanetari, i ricercatori hanno scoperto che ben 12 di loro mostrano anelli e divisioni, strutture che hanno interpretato come tracce dalla presenza di pianeti nascenti.

Mentre alcuni dischi protoplanetari appaiono uniformi, come dei blob privi di strutture interne, in altri casi erano già stati osservati anelli luminosi concentrici separati da divisioni, ma poiché gli studi precedenti si erano concentrati sulle stelle giovani più brillanti (le più facili da osservare) non era ancora chiaro quanto questi dischi con strutture ad anelli fossero davvero comuni nell’Universo. I risultati di questa ricerca sono quindi i primi ad essere statisticamente significativi proprio perché i dischi oggetto delle osservazioni sono stati selezionati indipendentemente dalle loro proprietà.

Studiando le caratteristiche degli anelli e delle divisioni osservate con Alma alla ricerca di possibili spiegazioni alternative, gli scienziati hanno inoltre potuto escludere che tali strutture potessero essere il risultato di effetti dipendenti dalle proprietà stellari (come ad esempio le cosiddette ice lines), confermando quindi la presenza di pianeti appena nati quale origine più probabile di queste affascinanti formazioni. I calcoli effettuati per avere un’idea della tipologia di pianeti che potrebbero formarsi nella regione di formazione stellare del Toro hanno dimostrato che la gran parte degli anelli sembrano causati da pianeti gassosi delle dimensioni di Nettuno o delle cosiddette super-Terre. Solo due dei dischi osservati potrebbero potenzialmente ospitare pianeti giganti come Giove, il più grande pianeta del Sistema solare.

«Nei dischi protoplanetari, strutture come anelli e cavità (spazi vuoti) sono molto comuni», spiega Elisabetta Rigliaco, ricercatrice dell’Inaf di Padova con una borsa Marie Skłodowska-Curie tramite il programma AstroFIt2, «e le strutture osservate in questi dischi nel Toro sono dovute alla presenza di pianeti di piccola massa, come super-Terre o nettuniani, che operando insieme ad altri processi producono queste affascinanti strutture».

«L’osservazione della morfologia dei dischi», aggiunge Giuseppe Lodato, professore di astronomia e astrofisica all’Università Statale di Milano e associato Inaf, « potrebbe affermarsi come una nuova metodologia per rilevare la presenza di pianeti attorno a stelle giovani, complementare agli studi sui pianeti extrasolari che in genere si concentrano su stelle adulte, dell’età del Sole». «Inoltre – conclude Lodato – questo metodo permette di osservare pianeti altrimenti non rilevabili, in quanto troppo poco massicci e troppo lontani dalla loro stella».

Nel futuro, il gruppo di ricerca intende modificare la collocazione delle antenne di Alma per ottenere una maggiore risoluzione e osservare strutture su scale dell’ordine della distanza Terra-Sole, rendendo le antenne sensibili a grani di polvere più grandi.

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Stelle disubbidienti

La regione attiva di formazione stellare W43-MM1, osservata con Alma. L’alto numero di siti di formazione stellare, noti come nuclei e qui identificati da ellissi, sono la prova dell’intensa attività di formazione stellare in questa regione. Crediti: Eso/Alma / F. Motte / T. Nony / F. Louvet / Nature Astronomy

Nello spazio, nascoste dietro i veli di polvere delle nebulose, nubi di gas collassano formando le strutture dalle quali nascono le stelle: i nuclei delle stelle in formazione. Queste strutture si raggruppano, accumulano materia e frammenti, dando infine origine ad ammassi di giovani stelle di varie masse, la cui distribuzione (intesa come il numero di stelle per intervallo di massa) è stata descritta nel 1955 da Edwin Salpeter nella legge astrofisica che porta il suo nome.

Gli astronomi avevano già avuto modo di notare che il rapporto tra il numero di oggetti massicci e quelli meno massicci era lo stesso nei gruppi di nuclei stellari in formazione e nei gruppi di stelle appena formate. Questo ha suggerito che la funzione iniziale di massa, nota come Initial Mass Function (Imf), sia semplicemente il risultato della distribuzione di massa dei nuclei da cui le stelle si sono formate, nota come Core Mass Function (Cmf). Tuttavia, questa conclusione deriva dallo studio delle nubi molecolari più vicine al nostro Sistema solare, che non sono molto dense e che quindi non possono considerarsi rappresentative della reale diversità di tali nubi nella Galassia.

La relazione tra Cmf e Imf è universale? Cosa si osserva quando si vanno a studiare nubi più dense e più distanti? Queste sono le domande che si sono posti i ricercatori dell’Istituto di planetologia e astrofisica di Grenoble (Cnrs / Université Grenoble Alpes) e il Laboratorio di astrofisica, strumentazione e modellistica (Cnrs / Cea / Université Paris Diderot) quando hanno iniziato ad osservare la regione attiva di formazione stellare W43-MM1, la cui struttura è molto più tipica delle nubi molecolari nella nostra galassia rispetto a quelle osservate in precedenza. Grazie alla sensibilità senza precedenti e alla risoluzione spaziale delle antenne di Alma, i ricercatori sono stati in grado di stabilire una distribuzione statisticamente solida di nuclei stellari su un vastissimo intervallo di masse, dalle stelle di tipo solare alle stelle cento volte più massicce del nostro Sole. Con grande sorpresa, la distribuzione trovata non sembra obbedire alla legge di Salpeter del 1955. Si è infatti scoperto che, nella nube molecolare W43-MM1, esiste una sovrabbondanza di nuclei massicci, mentre quelli meno massicci sembrerebbero essere scarsamente rappresentati.

Questi risultati mettono in discussione non solo la relazione tra Cmf e Imf, ma anche la natura apparentemente universale della Imf: contrariamente a quanto si è sempre pensato, la distribuzione di massa delle giovani stelle potrebbe non essere la stessa ovunque nella nostra galassia. Se fosse veramente così, la comunità scientifica sarà costretta a riesaminare i suoi calcoli sulla formazione stellare e ogni stima che dipenda dal numero di stelle massicce, come ad esempio l’arricchimento chimico del mezzo interstellare e il numero di buchi neri e supernove.

I gruppi coinvolti in questa ricerca continueranno il loro lavoro con Alma all’interno di un consorzio di circa quaranta ricercatori. Il loro obiettivo è studiare quindici regioni simili a W43-MM1 per confrontare le loro Cmf e accertare se le caratteristiche riscontrate in questa nube molecolare possono essere generalizzate.

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Contrordine, la materia oscura non interagisce

Le quattro galassie centrali nel cuore dell’ammasso Abell 3827 viste in una gamma ampia di lunghezze d’onda, tra cui l’imaging in ultravioletto con il telescopio spaziale Hubble (mostrato in blu) e l’imaging di Almaa lunghezze d’onda submillimetriche (indicate come linee di contorno rosse). A queste ultime lunghezze d’onda, l’ammasso in primo piano diventa quasi trasparente, consentendo di vedere più chiaramente la galassia sullo sfondo. Ciò rende più facile apprezzarne la distorsione rispetto alle precedenti osservazioni condotte con il solo Hubble. Crediti: Nasa/Esa/Eso/Richard Massey (Durham University)

Tre anni fa, era l’aprile 2015, un team di astronomi della Durham University aveva notato qualcosa di anomalo nella materia oscura di Abell 3827, un ammasso di galassie a un miliardo e 300 milioni di anni luce da noi. Ne avevamo parlato anche su Media Inaf: osservandolo con il telescopio spaziale Hubble, sembrava che una galassia dell’ammasso si fosse in qualche modo “separata” dalla materia oscura che la circondava. Per l’esattezza, un grumo di materia oscura era apparentemente rimasto indietro – di circa 5000 anni luce – rispetto alla galassia che circondava. Un’anomalia, suggerirono all’epoca gli astronomi  alla guida dello studio, che poteva essere la spia di un comportamento “interagente”: detto altrimenti, il segnale di un’interazione della materia oscura con sé stessa grazie a forze diverse dalla gravità. Un’anomalia notevole, se confermata, al punto da spingere il primo autore di quello studio, Richard Massey, a dichiarare, all’epoca, «stiamo finalmente costringendo la materia oscura all’angolo».

Conferma che non è però arrivata, anzi. Lo stesso gruppo di astronomi ora afferma che nuovi dati, provenienti da osservazioni più recenti condotte con Alma (l’Atacama Large Millimetre Array), mostrano che la materia oscura nell’ammasso Abell 3827 non si è affatto separata dalla sua galassia. Presentate oggi, venerdì 6 aprile, a Liverpoool, nel corso della European Week of Astronomy and Space Science, da un astrofisico dello stesso team d’allora, Andrew Robertson, le nuove misure appaiono coerenti con un tipo di materia oscura “classico”, ovvero che interagisca solo tramite la forza di gravità. «La vera posizione della materia oscura è diventata più chiara rispetto alle nostre precedenti osservazioni», dicono i ricercatori della Durham University.

Dunque un completo passo indietro, si ritorna al punto di partenza, alla cold dark matter canonica. O quasi. Se i nuovi risultati – in uscita su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society – mostrano come la materia oscura sia rimasta con la sua galassia, i ricercatori aggiungono però che questo non significa necessariamente che non interagisce. Potrebbe interagire molto poco, suggeriscono. O, ancora, la galassia sotto osservazione potrebbe spostarsi direttamente verso di noi, quindi se anche la sua materia oscura rimanesse indietro non osserveremmo alcuno spostamento laterale.

Per saperne di più:

  • Leggi il preprint dell’articolo “Dark matter dynamics in Abell 3827: new data consistent with standard Cold Dark Matter“, di Richard Massey, David Harvey, Jori Liesenborgs, Johan Richard, Stuart Stach, Mark Swinbank, Peter Taylor, Liliya Williams, Douglas Clowe, Frederic Courbin, Alastair Edge, Holger Israel, Mathilde Jauzac, Remy Joseph, Eric Jullo, Thomas D. Kitching, Adrienne Leonard, Julian Merten, Daisuke Nagai, James Nightingale, Andrew Robertson, Luis Javier Romualdez, Prasenjit Saha, Renske Smit, Sut Ieng Tam ed Eric Tittley

Alma nella rete di un’incubatrice stellare

Crediti: Eso/H. Drass/Alma (Eso/Naoj/Nrao)/A. Hacar

Questa immagine spettacolare e insolita mostra parte della famosa Nebulosa di Orione, una regione di formazioni stellare a circa 1350 anni luce dalla Terra: combina un mosaico di immagini a lunghezza d’onda millimetrica ottenute da Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) e dal radiotelescopio Iram da 30 metri, mostrate in rosso, con una veduta infrarossa piu’ familiare dallo strumento Hawk-I sul Vlt (Very Large Telescope) dell’Eso, mostrata in blu. Il gruppo di stelle brillanti bianco-blu in alto a sinistra è l’ammasso del Trapezio, formato da stelle giovani e calde di appena pochi milioni di anni.

Le strutture allungate, come una ragnatela, visibili in questa immagine sono lunghi filamenti di gas freddo, visibili solo con telescopi che operano nella banda di lunghezza d’onda millimetrica. Sono invisibili a lunghezze d’onda sia ottiche che infrarosse, facendo di Alma uno dei pochissimi strumenti che gli astronomi possano usare per studiarle. Il gas dà origine a nuove stelle – collassa gradualmente sotto la propria forza di gravità finché non è sufficientemente compresso da formare una protostella, il precursore di una stella.

Le antenne di Alma sul Chajnantor Plateau nelle Ande in Cile. Crediti: Eso/C. Malin

Gli scienziati che hanno raccolto i dati da cui questa immagine è stata creata stavano studiando questi filamenti per capire meglio la loro struttura e composizione. Hanno usato Alma per cercare l’impronta del diazenilio, che forma parte di queste strutture. Attraverso questo studio, l’equipe è riuscita a identificare una rete di 55 filamenti.

La nebulosa di Orione è la regione di formazione stellare più vicina alla Terra e perciò viene studiata in dettaglio dagli astronomi che vogliono capire meglio come si formano le stelle e come evolvono nei loro primi milioni di anni. I telescopi dell’Eso hanno osservato molte volte questa regione interessante: per sapere di più sulle precedenti scoperte si può vedere qui, qui, e qui.

La nuova immagine, risultante dalla combinazione di un totale di 296 set di dati da Alma e Iram, è uno dei mosaici ad alta risoluzione più grandi mai prodotti finora di una regione di formazione stellare a lunghezze d’onda millimetriche.

I mosaici precedenti della Nebulosa di Orione a lunghezze d’onda millimetriche avevo usato telescopi a specchio singolo, come Apex. Le nuove osservazioni con Alma e Iram usano l’interferometria per combinare i segnali da molte antenne con separazioni ampie, in modo da creare immagini con dettagli molti più fini.