Libreria delle storie delle galassie ricostruita dai moti delle stelle, dalla survey Califa (cliccare per ingrandire)
Così come il Sole si sta muovendo nella nostra galassia – la Via Lattea – ruotando attorno al suo centro alla velocità vertiginosa di 250 km/s, anche tutte le altre stelle, nella nostra e nelle altre galassie, si stanno muovendo con moti orbitali anche molto diversi tra loro: alcune stelle si comportano come il nostro Sole, ruotando ordinatamente attorno al centro galattico, mentre altre si muovono in modo quasi casuale. Le orbite stellari dominate da una rotazione ordinata vengono chiamate cinematicamente fredde, quelle dominate da un movimento casuale, cinematicamente calde. Confrontando la frazione di stelle nelle due tipologie di orbite (fredde e calde) è possibile scoprire come le galassie si sono formate e stanno evolvendo. In questo contesto si inserisce l’articolo uscito il primo gennaio su Nature Astronomy, nel quale un team internazionale di astronomi, tra cui Stefano Zibetti dell’Inaf-Osservatorio astrofisico di Arcetri, ha presentato per la prima volta la distribuzione delle orbite stellari di un campione di 300 galassie dell’universo locale (ossia, entro 2 miliardi di anni luce). Il campione considerato nello studio include galassie dei principali tipi morfologici (galassie a spirale, ellittiche e irregolari) presenti nella survey Califa (Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey), un progetto sviluppato presso l’Osservatorio di Calar Alto da un consorzio internazionale a guida tedesca e spagnola, che attualmente vede coinvolti oltre 90 astronomi in 25 istituti di ricerca di 17 paesi diversi, tra cui appunto l’Italia con l’Inaf di Arcetri.
Il moto delle stelle in una galassia è come un libro che racchiude la storia della galassia stessa, dove sono presenti informazioni sulla loro nascita e sull’ambiente in cui sono cresciute. «Tuttavia, il movimento di ogni singola stella appartenente ad una galassia esterna non è direttamente osservabile. Le galassie esterne sono proiettate sul piano di osservazione come un’immagine e non è possibile risolvere le singole stelle presenti in essa», dice Ling Zhu, ricercatore del Max Planck Institute for Astronomy che conduce lo studio. Il progetto Califa utilizza una tecnica sviluppata recentemente, la integral field spectroscopy (o imaging spectroscopy), molto potente perché in grado di fornire contemporaneamente immagini dettagliate delle galassie e informazioni spettroscopiche.
Dai dati della survey Califa i ricercatori sono stati in grado di ricostruire modelli di ogni galassia osservata, distribuendo le stelle nei diversi tipi di orbite finché il modello simulato non ha riprodotto l’immagine osservata e le relative mappe cinematiche. Così facendo, è stato possibile inferire il numero di stelle che si muovono sui diversi tipi di orbite, in ciascuna galassia. La chiamano “distribuzione delle orbite stellari” e, per questo studio, il team ha costruito modelli per tutte e 300 le galassie, che possono considerarsi rappresentativi delle proprietà generali delle galassie nell’universo locale.
Matching tra modelli simulati di orbite stellari all’interno di una galassia e osservazioni: immagine, mappa delle velocità e mappa delle dispersioni di velocità
L’analisi pubblicata presenta la distribuzione della circolarità delle orbite stellari in funzione della massa della galassia e trova che le orbite stellari cinematicamente fredde (cold) sono più evidenti nelle galassie la cui massa totale delle stelle presenti è di circa 10 miliardi di masse solari, e meno evidenti in quelle più massicce. Le orbite stellari cinematicamente calde (hot) dominano in galassie più massicce (oltre 100 miliardi di masse solari). Inoltre, le orbite più circolari sono generalmente piatte, su dischi galattici che ruotano rapidamente, mentre le orbite più irregolari rientrano in rigonfiamenti pressoché sferici nei quali le stelle si muovono in maniera casuale. In molte galassie, la maggior parte delle orbite stellari sono comunque classificabili come tiepide (warm), una via di mezzo tra le due precedenti tipologie.
Per capire meglio i risultati pubblicati e curiosare nella nostra galassia, abbiamo intervistato Stefano Zibetti dell’Inaf di Arcetri, coautore dell’articolo e membro del team di Califa.
Stefano Zibetti, ricercatore dell’Osservatorio astrofisico dell’Inaf di Arcetri, durante un run osservativo al telescopio di Calar Alto, con la cupola del 3.6m che ha svolto la survey Califa
Dottor Zibetti, di cosa si è occupato in particolare, nello studio pubblicato?
«Il mio contributo all’articolo riguarda principalmente la produzione dei dati osservativi di base, ovvero le osservazioni di integral field spectroscopy o spettroscopia spazialmente risolta. Come membro del survey team di Califa, ero a capo delle procedure di controllo della qualità dei dati e della loro calibrazione, in modo da assicurarne la possibilità di utilizzarli per misure scientifiche nei vari ambiti della survey. Dal punto di vista più specifico dello studio delle galassie così come riportato in questo articolo, sto collaborando con gli autori principali dello studio all’interpretazione dei risultati e alla loro applicazione per spiegare come epoca di formazione e composizione chimica delle stelle siano collegate ai diversi tipi di orbita, con l’obiettivo finale di delineare la storia evolutiva delle galassie e i meccanismi dinamici sottostanti».
Qual è la conclusione più importante che si può evincere da questo articolo?
«L’assoluta novità dell’analisi pubblicata risiede nel fatto di avere eseguito l’analisi e la decomposizione dinamica in grandi famiglie orbitali per un grande campione rappresentativo di galassie nell’Universo locale, cosa che fornisce un punto di riferimento fondamentale per i modelli numerici di formazione ed evoluzione delle galassie. La cosa più notevole dal punto di vista “qualitativo” è il fatto che le orbite cold (stelle che si muovono ordinatamente in un disco in rotazione con moti casuali trascurabili) non sono praticamente mai dominanti: anche le galassie più a disco hanno una grande quantità di stelle con notevoli componenti di moto caotico, quale risultato di centinaia di milioni o miliardi di anni di interazioni dinamiche complesse all’interno della struttura di ciascuna galassia e/o con galassie vicine. In sostanza, si tratta di una esistenza molto più tribolata di quanto si pensasse, per i dischi galattici».
Quindi anche la nostra galassia a spirale ha in realtà stelle che orbitano in maniera casuale fuori dal piano?
«Non esiste al momento un censimento completo delle orbite delle stelle all’interno della nostra galassia. La missione Gaia di Esa ci darà presto un quadro molto più rappresentativo ma ancora non completo: essere all’interno della Galassia, come osservatori, in questo caso è molto più uno svantaggio che un vantaggio. Per darvi un’idea delle incertezze in gioco, si discute ancora se la Galassia abbia un vero e proprio bulge (classical bulge, con moti prevalentemente a dispersione isotropica di velocità), oppure uno pseudo-bulge (stelle prevalentemente in rotazione attorno al centro della Galassia, ma con significativi moti caotici) o semplicemente una barra (con moti prevalentemente radiali). Queste incertezze vanno in parallelo con quelle sulla distribuzione delle orbite. Lavori recenti misurano un rapporto tra massa di stelle nel bulge/barra (prevalentemente hot o warm orbits) e nel disco (prevalentemente cold orbits, ma in parte anche warm) di 0.18, con 9 miliardi di masse solari nel bulge/barra e 52 miliardi di masse solari nel disco.
Distribuzione dei componenti orbitali (indicati nella legenda) rispetto alla massa stellare delle galassie.
Se assumiamo che tutte e solo le orbite hot siano nella componente di bulge/barra, ricaviamo che solo il 15 per cento delle orbite della galassia sono hot. Se confrontiamo con la figura dell’articolo di Nature Astronomy [riportata qui accanto, ndr], si vede che per una massa come quella della nostra galassia (pari a circa 60 miliardi di masse solari) dovremmo avere circa il 30 per cento di orbite hot. Dobbiamo però considerare che nell’articolo l’analisi si limita alle parti più interne delle galassie (entro un raggio effettivo, cioè quello che contiene metà della luce di una galassia) mentre per la nostra galassia si fa un computo “totale”. Essendo le orbite hot circoscritte alle regioni centrali, questo spiegherebbe la discrepanza (o almeno parte di essa). Si ritiene tuttavia che per la sua massa, la nostra galassia non abbia un bulge molto massiccio».
C’è qualche stella hot particolarmente indisciplinata e degna di nota, nella nostra galassia?
«Le stelle in orbite hot o cold (o warm) non hanno di per sé notevoli peculiarità, ma statisticamente si trova che le stelle più calde (in termini di temperatura superficiale in questo caso, quindi giovani) stanno quasi esclusivamente nelle orbite cold del disco, mentre le orbite hot sono caratterizzate o da vecchie stelle di piccola massa o da stelle evolute. Altre differenze si osservano in termini di composizione chimica. Tuttavia non esistono stelle veramente degne di nota per il puro fatto di essere in orbita hot».
Quando la nostra galassia si scontrerà con quella di Andromeda, il nostro Sole (per quel poco che gli rimarrà ancora da vivere come nana gialla) potrebbe diventare una stella con un orbita hot nella nuova galassia che si andrà a formare?
«Nello scontro di galassie le stelle vengono fortemente perturbate nelle loro orbite a causa non di “scontri” o passaggi ravvicinati ad altre stelle, ma dalla rapida trasformazione del potenziale gravitazionale in cui si muovono. Simulazioni numeriche ci mostrano che la fusione di due galassie a spirale massicce come Andromeda e la nostra galassia si concludono con un quasi totale rivolgimento delle orbite, tanto da cancellare quasi completamente la struttura in rotazione ordinata dei due dischi e creare uno sferoide (ovvero una galassia ellittica) dominata da moti caotici con solo una minima frazione di moti rotazionali ordinati. È quindi molto plausibile che in questo scontro anche il nostro Sole (o quel che ne rimarrà) “perderà la bussola” e assumerà un’orbita hot».
Per saperne di più:
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Leggi su Nature Astronomy l’articolo “The stellar orbit distribution in present-day galaxies inferred from the CALIFA survey“, di Ling Zhu, Glenn van de Ven, Remco van den Bosch, Hans-Walter Rix, Mariya Lyubenova, Jesús Falcón-Barroso, Marie Martig, Shude Mao, Dandan Xu, Yunpeng Jin, Aura Obreja, Robert J. J. Grand, Aaron A. Dutton, Andrea V. Macciò, Facundo A. Gómez, Jakob C. Walcher, Rubén García-Benito, Stefano Zibetti e Sebastian F. Sánchez
Guarda il servizio video di Stefano Parisini su MediaInaf Tv: