La Via Lattea, la nostra Galassia.

• 27/03/2023
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La Via Lattea, la nostra Galassia.

La nostra Galassia è chiamata Via Lattea per un ricorso alla mitologia, ma ci è voluto tanto tempo per comprendere che la striscia nel cielo che osserviamo la notte era in realtà un insieme di stelle. Oggi conosciamo la forma a spirale, la barra centrale e il buco nero che la circonda, ma i misteri sono ancora tanti

La Via Lattea, la nostra Galassia

Una striscia nel cielo che altri non è se non la Galassia alla quale apparteniamo. Un nome che deriva dalla mitologia e proprietà stimate che rappresentano una conquista recente dell'astronomia

Ogni corpo celeste che vediamo nel cielo, ad eccezione delle macchie diffuse corrispondenti alla galassia di Andromeda e alle Nubi di Magellano, appartiene alla nostra galassia , la Via Lattea. 

Il nome

Mitologicamente, durante una delle sue mitologiche 'scappatelle', Zeus ebbe un figlio da Alcmena, un figlio che avrebbe dovuto essere tanto forte da impedire lo sterminio di uomini e dei. Alcmena partorì Eracle ma lo abbandonò su un prato per timore della reazione della moglie di Zeus, Era. Era, tuttavia, ritrovò il bambino sul prato e decise di allattarlo. Il bimbo, Eracle, si attaccò al seno con una tale forza che Era si ritrasse con forza, tanto che uno schizzo del suo latte andò a finire in cielo, solcandolo da parte a parte. Eracle divenne immortale mentre quella striscia di latte rimase visibile nel cielo e venne chiamata Via Lattea.

Alla nostra galassia ci si riferisce anche con il nome Galassia, con la G maiuscola, ed in effetti il motivo è da rintracciare nell'etimologia del termine visto che in greco Galaxia significa latteo (non è un caso se le famose caramelle Galatine sono al latte). Alcuni sostengono il fatto che la denominazione Via Lattea sia da attribuire soltanto alla striscia che osservativamente si nota da Terra, mentre riferendosi all'oggetto celeste di per sé occorrerebbe parlare di Galassia Via Lattea o di Galassia e basta. Anche le pubblicazioni scientifiche, tuttavia, si riferiscono al corpo celeste come alla Via Lattea.

Non tutti la pensarono allo stesso modo, comunque. Per i Cinesi la striscia nel cielo rappresentava un Fiume Celeste nel quale le stelle erano pesci che fuggivano dall'Amo Celeste, ovvero dalla falce di Luna. Gli abitanti della Siberia, invece, erano convinti che il cielo si fosse spezzato in due e che la striscia più chiara fosse la saldatura necessaria a tenerlo unito.

Proprietà e generalità

La Via Lattea è la galassia che ospita il nostro sistema planetario, il Sistema Solare. E' anche detta Galassia, con la "G" maiuscola.

La Via Lattea è quindi una galassia : oggi si parla di galassie in maniera abbastanza consapevole, avendo ben presenti immagini viste in televisione oppure nelle riviste. Tuttavia la consapevolezza di cosa sia una galassia non è storia antica, anzi. Anche la formazione della Via Lattea è attualmente al centro del dibattito cosmologico e ripercorre la modalità di formazione delle galassie in generale, modalità ancora non univoca e anch'essa argomento di dibattito.

Ciò che si può stimare con particolare riguardo alla nostra Via Lattea è l'età dedotta dalle singole componenti galattiche. Dalla posizione e dalla velocità di alcune stelle, gli astronomi hanno infatti individuato alcuni tra gli astri più antichi della Via Lattea. Si tratta di stelle sub-nane fredde, molto più fredde e anziane del Sole e con età che va da 6 a 9 miliardi di anni. La loro posizione è racchiusa entro i 200 anni luce da noi (Georgia State University - The Astronomical Journal, 2017). Al di là dei nove miliardi di anni, tuttavia, la stella apparentemente più antica è HD 140283, la cui età è stimata in 13,6 miliardi di anni. La stima è basata tuttavia sul confronto con le stelle di ammassi globulari, considerati da sempre coevi delle galassie e quindi risalenti a circa 13.4 miliardi di anni. In realtà anche l'età degli ammassi globulari è tornata in discussione nel 2018 attraverso nuove stime che li pongono a nove miliardi di anni, lo stesso nove delle stelle osservate nel 2017 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 2018 - Re-evaluating old stellar populations). 

Oltre a questo moto, ogni stella ha moti propri come, ad esempio, il Sole che punta in direzione della stella Mu Herculis.

Oltra alla rotazione su sé stessa, la Galassia è soggetta anche a un moto proprio che viene sostenuto alla velocità di due milioni di chilometri orari rispetto all'universo in espansione. La meta di questo moto venne fatta coincidere con il Grande Attrattore, una regione distante 150 milioni di anni luce e composta da mezza dozzina di ammassi galattici, salvo poi spostare il tiro a favore della Concentrazione di Shapley, 600 milioni di anni luce più distante ma contenente due dozzine di ammassi galattici. Da un lato, quindi, il moto della Galassia sembra attratto da queste masse ma nel 2017 è stato aggiunto un altro tassello che vede, invece, una spinta da dietro fornita dall'energia di un enorme vuoto passato inosservato fino al lavoro della Hebrew University of Jerusalem.

Componente immateriale della Galassia ma non di poco conto, il campo magnetico galattico fu ipotizzato per la prima volta da Enrico Fermi nel 1949. E' noto come una carica elettrica in moto produca un campo magnetico e come il mezzo interstellare sia composto parzialmente da particelle cariche in movimento, che quindi producono un campo magnetico.
Fermi stimò anche il valore del campo magnetico in 3x10^-6Gauss, basandosi sul fatto che durante la lunga vita della Galassia si fosse giunti ad un equilibrio tra densità di energia cinetica e magnetica. In effetti il valore empiricamente riscontrato è di 3,5x10^-6Gauss sebbene i nuovi strumenti forniscono via via informazioni più precise. Ad esempio, nel 2019 la misurazione del campo magnetico in due nubi al confine tra Orsa Maggiore, Drago e Giraffa ha fornito risultati maggiori rispetto alle previsioni (The Astrophysical Journal - “Magnetic Field Tomography in Two Clouds toward Ursa Major Using H I Fibers“, di Aris Tritsis et al.). Nella prima nube il campo magnetico è risultato cinque volte superiore alle previsioni dei modelli (15 microgauss) mentre nella seconda il valore è stato tra 4 e 17 microgauss, dipendentemente dalla regione osservata (il valore è comunque 10 milioni di volte inferiore alla forza di uno dei magneti di un frigorifero). 

Ancora nel 1949, Hiltner e Hall notarono la polarizzazione di stelle molto lontane e come la polarizzazione stessa crescesse al crescere della distanza. Le stelle emettono radiazioni non polarizzate quindi per dar vita a radiazioni polarizzate deve esserci qualche fattore esterno. Questo fattore esterno, inoltre, deve trovarsi tra noi e le stelle, quindi nel mezzo interstellare , dal momento che al crescere della distanza cresceva anche la polarizzazione. Misurazioni più precise furono disponibili quando Zeeman si rese conto che - quando una sorgente luminosa emette in un campo magnetico - le righe del suo spettro vengono scisse in più componenti e la scissione cresce al crescere del campo magnetico e della lunghezza di onda della radiazione .
Furono così osservati gli effetti tipici della polarizzazione nelle righe dell'idrogeno neutro (riga a 21 centimetri) e nei segnali delle pulsar , a testimonianza del campo magnetico galattico.

Nel 2019 un team di astronomi della CSIRO e della Curtin University ha invece utilizzato pulsar per sondare il campo magnetico galattico giungendo a pubblicare il catalogo più preciso in tre dimensioni alla data. Un campo migliaia di volte più debole rispetto a quello terrestre ma di enorme importanza per misurare i percorsi dei raggi cosmici, della formazione stellare e di molti altri processi. Tramite il radiotelescopio a bassa frequenza LOFAR (Low Frequency Array) è stato osservato come l'intensità del campo magnetico galattico vada a diminuire con la distanza dal piano galattico. Un lavoro che verrà ripetuto per l'emisfero australe tramite il Murchison Widefield Array (MWA) in Australia (C Sobey et al. Low-frequency Faraday rotation measures towards pulsars using LOFAR: probing the 3D Galactic halo magnetic field, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). 

Ma la Via Lattea è normale?

Siamo soliti studiare tutte le altre galassie in base alla nostra, dando per scontato che la nostra sia "normale", comune. Ma ne siamo certi? Se lo sono chiesto nel 2017 scienziati della Satellites Around Galactic Analogs (SAGA) Survey in un lavoro pubblicato poi su Astrophysical Journal confrontando le galassie satellite della nostra con le galassie satellite di galassie simili alla nostra. Un lavoro che venne portato avanti già pochi anni prima su un campione ritenuto, però, troppo piccolo. I risultati hanno evidenziato forti diversità: le galassie satellite della Via Lattea sono notevolmente calme al contrario delle satelliti di altre galassie simili alla nostra che, invece, mostrano una forte propensione a produrre stelle. Ogni studio è basato sul concetto che la nostra Galassia non abbia nulla di speciale: ricerca della materia oscura, cosmologia, formazione stellare, formazione galattica stessa: e se invece la nostra Via Lattea non fosse un campione così comune nell'universo?

Con particolare riguardo ai satelliti, comunque, c'è da dire come forse il campione analizzato non sia forse molto rappresentativo. Inizialmente era stata stimata una dozzina di galassie satelliti della Via Lattea ma soprattutto il lavoro della Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ha portato il numero a circa sessanta soltanto dagli anni Duemila. Potrebbero essere decisamente di più, anche 150 di più, se le analisi del rapporto tra satelliti e alone di materia oscura sono corrette e consentono di andare a contare anche le galassie satelliti delle galassie satelliti della Via Lattea (Milky Way Satellite Census—II. Galaxy-Halo Connection Constraints Including the Impact of the Large Magellanic Cloud - arXiv). Potrebbero però essere anche molte di meno, secondo i dati della early Data Release 3 di Gaia di fine 2021: molte galassie nane fino ad allora ritenute satelliti della Via Lattea, in effetti, sembrano soltanto di passaggio e ancora è tutto da vedere se la gravità galattica sia così forte da trattenerle in orbita. La loro velocità è nettamente superiore di quella degli oggetti che orbitano il centro galattico, proprio come accade per la Grande Nube di Magellano, anch'essa troppo veloce per essere nostro satellite. Alcune saranno probabilmente catturate dalla Via Lattea, ma altre no e per saperne di più occorreranno ulteriori dati (The Astrophysical Journal - “Gaia EDR3 proper motions of Milky Way dwarfs. II: Velocities, Total Energy and Angular Momentum” - François Hammer et al)

Ultimo aggiornamento del: 04/12/2021 15:47:44

Forma e struttura della Via Lattea

Difficile stabilire la forma della nostra Galassia visto che non possiamo osservarla da un punto esterno. Classifichiamo la Via Lattea come SBbc, una spirale barrata composta di due bracci maggiori e due minori. Un disco che racconta la sua storia

Oggi stimiamo per la Via Lattea una forma a disco schiacciato chiamato equatore galattico oppure piano galattico. Il diametro dell'equatore galattico è stimato intorno ai 78.000 anni luce, anche se alcuni sostengono possa arrivare a 300.000 anni luce ed altri, la gran parte, arrivano a 100.000 anni luce. Lo spessore del disco raggiunge il massimo al suo centro, con circa 15.000 anni luce mentre alla periferia va diminuendo. La nostra Galassia, quindi, vista da fuori e da una posizione di taglio (edge on), avrebbe la forma di un fuso risultando molto allungata e piatta a parte un rigonfiamento centrale. Vista di fronte, tuttavia, la Via Lattea assumerebbe la forma di una grande spirale con una barra centrale dalla quale si diramano i bracci, una sorta di girandola.

Alla posizione del Sistema Solare, cioè a circa 27.200 anni luce dal centro galattico (stima del 2016 in base ai dati del Very Long Baseline Array), il disco è spesso soltanto 1000 anni luce.

La dimensioni potrebbe in realtà raggiungere anche i 150 mila anni luce di diametro visto che nel 2015 sono stati scoperti anelli di stelle laddove si pensava non potessero esserci ulteriori astri: si tratta di ondulazioni interne del disco che estendono la dimensione dello stesso visto che sono state osservate in ogni direzione osservabile e se dipendessero da interazioni con galassie di passaggio risulterebbero, invece, localizzate. Non così semplice da avallare come ipotesi visto che - di contro - c'è chi sostiene comunque la riconducibilità delle strutture a eventi esterni estesi poi a tutto il perimetro ("Rings and Radial Waves in the Disk of the Milky Way" - The Astrophysical Journal, 2015).

La forma della Galassia è stata individuata con molta difficoltà ed a tutt'oggi non è neanche molto certa. La prima visione di spirale è datata 1852 nell'ambito di uno studio fuori dal coro di Stephen Alexander, ma gli studi veri e propri risalgono a metà del secolo scorso quando i radiotelescopi olandesi e australiani guidati da Jan Oort, Frank Kerr e Gert Westerhout iniziarono a misurare la densità dell'idrogeno neutro lungo il piano della Galassia. Vennero così individuate zone a maggior densità, zone che vennero chiamate bracci. Era il 1958 e poco meno di venti anni dopo la struttura a spirale fu confermata da Yvonne e Yvon Gerogelin tramite la distribuzione delle regioni HII di idrogeno ionizzato. L'astronomia infrarossa, negli anni Novanta, giunse agli stessi risultati osservando la distribuzione della polvere, suggerendo al tempo stesso la presenza di una barra centrale confermata poi nel 2005 tramite le osservazioni infrarosse di Spitzer. Nel diapason di Hubble, la Galassia viene inquadrata come SBbc. I bracci individuati erano quattro ma nel 2008 si ipotizzò addirittura che potessero essere soltanto due. In seguito si concordò sulla presenza di due bracci principali come Braccio Scudo-Centauro e Braccio di Perseo, caratterizzati da una maggior densità stellare, e due bracci secondari come Braccio della Norma e Braccio del Sagittario, caratterizzati invece da una maggior quantità di polveri e di attività di formazione stellare. A smontare del tutto la tesi dei due bracci ha pensato, nel 2015, il lavoro dell'Univeridade Federal Do Rio Grande do Sul sui dati di WISE: la luce infrarossa ha consentito di andare più a fondo in direzione del centro della Galassia e la scoperta di sette nuovi ammassi giovani, presenti principalmente nei bracci della Galassia, ha riabilitato una versione a quattro bracci. I dati di Gaia, satellite ESA, censendo posizioni e distanze ha aiutato molto anche sotto questo aspetto dando vita, nel 2021, a una nuova dettagliatissima mappa che rivela la forma geometrica dei bracci di spirale, scoprendola differente da molti modelli. Il braccio locale, dove siamo noi, risulta più esteso del previsto portandosi a 26 mila anni luce di estensione almeno mentre il Braccio di Perseo presenta un angolo di apertura maggiore del pensato (Astronomy & Astrophysics - “Galactic spiral structure revealed by Gaia EDR3” - E. Poggio et al)

Il Sole si trova quindi a due terzi di distanza dal centro galattico, in uno dei bracci di spirale. La forma della Via Lattea dovrebbe essere abbastanza simmetrica e verso l'inizio del nuovo secolo gli astronomi Tom Dame e Pat Thaddeus del CfA hanno utilizzato le osservazioni millimetriche del monossido di carbonio per avvalorare questa ipotesi. 
Non si tratta di un disco perfettamente piatto visto che esistono strutture, soprattutto in direzione del braccio di Scudo e Centauro, che si ergono in maniera distinta rispetto alle altre. Nel 2011, gli stessi astronomi del CfA hanno scoperto una spirale a larga scala all'interno di questa zona, struttura che è stata poi battezzata Outer Scutum-Centaurus Arm (OSC), distante dal centro galattico circa 40 mila anni luce e apparente controparte del Braccio del Perseo. Tramite misurazioni radio del gas ionizzato, in grado di tracciare l'ultravioletto caldo delle stelle giovani e massicce, un team di astronomi ha osservato zone di formazione stellare nel 60% delle location osservate: nuove stelle in formazione che possono raggiungere anche una massa pari a 40 masse solari ciascuna. Ad oggi, queste zone segnano il confine esterno della formazione stellare galattica. Nel 2021, la combinazione del VLA e dell'Effelsberg Telescope ha creato una dettagliata mappa dell'emissione dal piano galattico settentrionale, fornendo inedite prove riguardanti una intensa formazione stellare da parte della Via Lattea. La survey GLOSTAR (Global View on Star formation in the Milky Way) ha anche identificato 80 nuovi resti di supernova, raddoppiandone il numero (“A Global View on Star Formation: The GLOSTAR Galactic Plane Survey. I. Overview and first results for the Galactic longitude range 28°< l < 36°” - Brunthaler et al).

Anche dal punto di vista chimico la Galassia risulta molto diversificata: i dati di Hubble Space Telescope e del Very Large Telescope, infatti, hanno evidenziato come la metallicità del mezzo interstellare presenti una inattesa elevata variabilità tanto che alcune regioni risultano avere una metallicità pari ad appena il 17% di quella propria delle regioni prossime al Sole.Una diversificazione che ha notevole impatto sulla metallicità delle stelle che possono nascere e sull'evoluzione galattica stessa (Nature - “Large metallicity variations in the Galactic interstellar medium” - Annalisa De Cia,  et al)

Proprio in tema di formazione stellare, il 2019 ha portato la scoperta di una struttura ondulata di formazione stellare , battezzata Onda di Radcliffe in onore della collaborazione e della sua origine, il Radcliffe Institute for Advanced Study. La scoperta trasforma la concezione di 150 anni di studi da un anello in espansione di nursery stellari in una struttura ondulata con filamenti a forma di stella in grado di raggiungere trilioni di miglia sopra e sotto il disco galattico. I dati, neanche a dirlo, sono della Data Release 2 di Gaia (DR2), la quale ha fornito la possibilità di una visione a tre dimensioni della Via Lattea. La struttura, lunga e sottile, copre novemila anni luce di lunghezza ed è ampia 400 anni luce, con creste di 400 anni luce sopra e sotto la media del disco galattico. L'onda comprende molte delle nusery stellari che si ritenevano appartenenti alla Fascia di Gould, una banda di formazione stellare che si riteneva orientata intorno al Sole a creare un anello. Il Sole si trova a soli 500 anni luce di distanza dall'onda, nel suo punto di minima distanza e interagisce con la struttura: è passato in un festival di supernovae 13 milioni di anni fa, quando attraversò Orione, e lo stesso farà di nuovo tra 13 milioni di anni (Alves JA, et al (2020) A Galactic-scale gas wave in the Solar Neighborhood. Nature (in press). Publishes online 7 January). 

La spirale della Galassia può essere contenuta in una forma circolare che rappresenta l'alone galattico. L'alone è quasi privo di nubi di gas e di polveri ma ricco di ammassi globulari. Se ne contano più di 150 ma è molto probabile che siano più di 200 comprendendo gli ammassi posti al di là del centro galattico. La disposizione delle stelle antiche e degli ammassi globulari fornisce una stima che parla di un alone di duecentomila anni luce di diametro. anche se sono stati rinvenuti oggetti apparentemente di alone a distanze ancora maggiori, come Palomar 4 e AM 41.

La popolazione degli oggetti presenti nell'alone galattico ha quasi la stessa età della Galassia stessa: la mancanza di polveri e la rarefazione del gas impedisce la formazione di nuove stelle. Si tratta di una zona che riserva spesso scoperte, una tra queste è la scoperta di uno stream di stelle avvenuta a fine 2017 (arXiv, 24 novembre 2017): si tratta di quel che resta di una galassia nana o di un ammasso globulare che una volta orbitava la Galassia e che è stato poi distrutto dalle forze mareali in gioco. A oggi una ventina di stream sono stati scoperti nella Via Lattea e una decina, in tutto, nel Gruppo Locale. Si tratta di oggetti che possono dire molto riguardo l'alone di materia oscura che dovrebbe essere presente o riguardo la distribuzione di massa nella Via Lattea. Tramite il Leading Arm of Magellanic Satellites (SLAMS), una survey portata avanti tramite il Blanco telescope a Cerro Tololo, le osservazioni hanno consentito di rivelare la presenza di un nuovo stream, posto a 95 mila anni luce dalla Terra nella costellazione  di Idra e dintorni. La lunghezza stimata è di 293 anni luce e il fatto che sia abbastanza sottile lascia pensare a un globulare come progenitore. La massa è di 25 mila masse solari, uno dei meno massivi noti a oggi. Le stelle che lo compongono sono in prevalenza scarse di metalli, con una età calcolata in 12.5 miliardi di anni. Ancora, dai dati di APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) della SDSS (Sloan Digital Sky Survey) è emerso come addirittura un terzo dell'alone sferico della Galassia sia appartenuto a una galassia minore, battezzata Ercole in virtù della sua immortalità, fusa con la nostra Via Lattea circa 10 miliardi di anni fa. Anziché di uno stream di stelle, stavolta si parla di un vero e proprio fossile galattico presente nell'alone della Via Lattea. Nonostante le grandi dimensioni, la posizione ha sfavorito fino a oggi la scoperta di questa struttura, scoperta nata da analisi chimiche e cinematiche di decine di migliaia di stelle. La grande dimensione della collisione, tra l'altro, fa pensare a una storia Galattica abbastanza particolare anche rispetto alle altre spirali (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - “Evidence from APOGEE for the presence of a major building block of the halo buried in the inner Galaxy” - Danny Horta et al.)

Parlando di stream stellari, esistono 8292 oggetti battezzati tutti Theia e, tra questi, Theia 456 è rappresentato da stelle nate tutte insieme ma nonostante questo appare molto allungato (). 

Per quanto riguarda il gas, il telescopio XMM-Newton ha rinvenuto la presenza di gas caldissimo, in grado di raggiungere temperature di gran lunga superiori alle attese, e di composizione chimica peculiare che evidenzia la presenza di tre distinte componenti. Le attese spingono verso una temperatura costante in tutto l'alone e legata alla massa della Via Lattea ma in realtà XMM-Newton ha registrato tre temperature molto differenti tra loro, raggiungendo i dieci milioni di gradi sotto la spinta (ma è una supposizione) dei venti stellari emessi dalle stelle galattiche. Il gas è stato scoperto tramite analisi spettrale della luce di distanti blazar . Per la chimica, invece, a destare curiosità è la minore abbondanza di ferro e di ossigeno nell'alone rispetto alle attese (The Astrophysical Journal Letters - “Discovery of a very hot phase of the Milky Way circumgalactic medium with non-solar abundance ratios” - S. Das et al.). Viene meno l'omogeneità della temperatura nell'alone, allora? Non proprio, visto che gli studi sono proseguiti.

Proprio in termini di temperatura dell'alone, infatti, uno studio presentato al 236° meeting della American Astronomical Society del giugno 2020 ha evidenziato un livello più alto di quanto ritenuto fino ad allora, con un picco di temperatura dieci volte maggiore rispetto alle stime precedenti. I dieci milioni di gradi fissati come massimo potrebbero essere in realtà presenti in tutto l'alone (anche se non è stato analizzato tutto l'alone). I dati ottenuti da XMM-Newton e dal giapponese Suzaku  hanno mostrato quindi una temperatura decisamente più elevata in quattro differenti punti dell'alone galattico ma non solo: è stato cercato un confronto con galassie esterne e anche NGC 3221 - distante 200 milioni di anni luce - ha evidenziato una temperatura in linea con quella galattica. Una struttura a grumi che, se fosse esattamente così, non trebbe contenere ulteriore materia barionica tale da spiegare la "massa mancante", ma potrebbe esserci una estensione maggiore, a minor densità di raggi X, che ancora non vediamo (A disk-dominated and clumpy circumgalactic medium of the Milky Way seen in X-ray emission, Nature Astronomy - 2020).

L'alone della Via Lattea mostra quindi i segni di una antica attività di fusioni ai danni di galassie nane e oltre agli stream di stelle la prova risiede anche nella composizione chimica della zona, ottenuta su un campione di 28 giganti rosse osservate dall'Instituto de Astrofisica de Canarias. Lo spettro delle stelle osservate mostra una composizione nettamente diversa da quella del resto delle stelle galattiche di alone, il che lascia pensare che si tratti di stelle formate in un altro luogo, in un'altra galassia finita poi per essere "mangiata" dalla nostra. 

A fine 2020 l'analisi del sistema stellare Liller 1, da sempre catalogato come ammasso globulare, ha fornito una ulteriore conferma del processo di formazione della Via Lattea visto che la sua natura è risultata differente: non si tratta di globulare ma di un resto fossile del tipo di Terzan 5, ovvero di quegli aggregati di stelle e gas che ammassandosi miliardi di anni fa hanno formato la nostra Galassia. Difficile distinguere questi oggetti dai classici globulari ma al loro interno sono presenti almeno due popolazioni stellari di età molto differente, una delle quali risale a 12 miliardi di anni fa (Nature Astronomy l’articolo “A new class of fossil fragments from the hierarchical assembly of the Galactic bulge” - Francesco R. Ferraro et al.)

Questo alone di gas caldissimo è detto mezzo circumgalattico (CGM) ed è stato l'incubatore della Via Lattea 10 miliardi di anni fa: la sua geometria derivata dalle osservazioni a raggi X del satellite HaloSat è simile a un disco, con una densità di radiazione X maggiore corrispondente ai luoghi di più intensa formazione stellare galattica, il che sembra avallare il collegamento tra radiazione stessa e formazione di nuove stelle. Un ciclo completo, quindi: il gas che un tempo cadde nella galassia per formare stelle ora viene riciclato nel mezzo circumgalattico.

A metà 2016 è stata individuata anche la modalità di rotazione dell'alone galattico, che sembra solidale alla rotazione del disco della Galassia. Si riteneva che a fronte di un disco rotante la Galassia fosse in possesso di un alone di gas enorme e stazionario, ma l'ipotesi è risultata sbagliata visto che anche questa enorme sfera ruota. Il moto produce uno spostamento in lunghezza d'onda tale da aver consentito agli astronomi di misurarlo grazie alle linee dell'ossigeno incandescente: le linee shiftano nella stessa direzione della rotazione del disco e alla velocità di 400 mila miglia orarie, contro le 540 mila del disco. Si tratta di una chiave di lettura incredibilmente importante per comprendere al meglio la formazione galattica, visto che si può pensare che la calda atmosfera galattica sia la sorgente di gran parte della materia del disco. 

La dimensione dell'alone galattico è stata stimata in 520.000 anni luce in base a una caduta di densità delle stelle di tipo RR Lyrae e Blue Horizontal Branch (vedi approfondimento)

Disco galattico

Il disco galattico è formato da stelle e materia interstellare in quantità molto abbondante, con una regola osservativa che vede gli astri più ricchi di metalli orbitare più velocemente intorno al centro galattico. Questa materia può essere diffusa omogeneamente oppure raccolta in nubi di diversa dimensione. Guardando la Galassia da fuori e di taglio, noteremmo che la striscia luminosa che la compone è tagliata in due da una fascia oscura, esattamente come accade quando guardiamo galassie esterne edge-on: la luce delle stelle in questa zona è infatti assorbita dalle polveri concentrate sul disco. Proprio la presenza di grandi quantità di gas e polveri fa sì che il disco galattico sia un continuo fermento di stelle in formazione, quindi la popolazione di questa area galattica è molto varia, abbinando stelle anziane a stelle giovanissime. Anche nel disco galattico sono presenti famiglie di stelle ed ammassi, ma questi ammassi sono molto meno fitti degli ammassi globulari presenti nell'alone galattico: si tratta infatti di giovani ammassi aperti.

Nella zona esterna della Via Lattea è presente una struttura che domina la mappa galattica nell'idrogeno neutro: questa struttura è nota come GS242-03+37, è stata scoperta nel 1979 ed è una sorta di "superguscio" i cui parametri sono stati studiati con particolare dettaglio a fine 2018 attraverso simulazioni numeriche. Le simulazioni hanno ricercato il miglior merge con l'osservazione dell'idrogeno neutro per poi passare alla distribuzione degli ammassi stellari presenti nei dintorni al fine di comprendere al meglio come una simile struttura possa influenzare la zona circostante. E' risultata, in questi termini, una correlazione tra l'oggetto e la distribuzione degli ammassi stellari, distribuzione che sembra preferire i "muri" del superguscio (arXiv, 2018 - "GS242-03+37: a lucky survivor in the galactic gravitational field"). 

La struttura è risultata relativamente antica rispetto ad altre simili, con una età compresa tra 80 e 120 milioni di anni circa favorita dalla protezione fornita dal raggio della struttura a spirale della Galassia, che protegge dal passaggio dei bracci. Dai risultati è stato evidenziato come il superguscio non sia tale dal punto di vista energetico, dal momento che il valore di energia ottenuto è ben sotto la soglia minima che viene usata per definire genericamente un superguscio.

Fanno riferimento al disco della galassia le interazioni delle quali si è parlato al momento della determinazione della dimensione della Galassia: il disco nella parte più esterna risente in maniera notevole del passaggio di galassie esterne o delle fusioni del passato.

La più dettagliata mappa tridimensionale della Via Lattea, al 2019, proviene dalla University of Warsaw e si basa sui dati di OGLE (Optical Gavitational Lensing Experiment) centrati sulle stelle di tipo Cefeide.
Grazie a survey sempre più estese e precise, proprio come OGLE e soprattutto Gaia, la forma della Via Lattea è cambiata notevolmente da quanto pensavamo potesse essere: la sagoma piatta ha lasciato spazio a una sorta di pizza cruda lanciata in aria, ripiegata ai bordi.

Le Cefeidi sono stelle pulsanti per le quali è ideale calcolare le distanze in base alla curva di luce e proprio grazie alla distribuzione di 2.431 stelle di questo tipo - osservate in sei anni - è stato possibile creare una mappa a tre dimensioni. Anche da questa mappa è giunta una forma tutt'altro che piatta, con una curvatura che si accentua all'aumentare della distanza dal Sole. Le Cefeidi, inoltre, sembrano raggrupparsi in ammassi a indicare una nascita congiunta. Le curvature dovrebbero essere legate alle interazioni con altre galassie, con la materia oscura e con il mezzo intergalattico (Dorota M. Skowron et al. A three-dimensional map of the Milky Way using classical Cepheid variable stars, Science - 2019) http://dx.doi.org/10.1126/science.aau3181

Il centro della Galassia e SgrA*

Il centro della Via Lattea, o Centro Galattico, è il punto intorno al quale ruota la Galassia stessa. Dista da noi circa 25800 anni luce in direzione della costellazione del Sagittario, nel punto in cui nelle notti estive dell'emisfero boreale appare più luminosa tanto da poter essere visibile a occhio nudo come zona più accesa. Si è sempre ritenuto che la distanza fosse di 27700 anni luce (come stabilito dalla IAU nel 1985) ma i dati molto raffinati ottenuti dalla survey VERA, pubblicati in un nuovo catalogo di fine 2020, ha modificato un po' i valori: la distanza scende a 25800 anni luce e la velocità di rivoluzione del Sistema Solare intorno al buco nero sale a 227 km/s (The First VERA Astrometry Catalog, Publications of the Astronomical Society of Japan - 2020). La zona centrale del Centro Galattico - al pari di quanto accade in tutte o quasi le galassie - è occupata da un buco nero supermassiccio centrale chiamato "Sagittarius A star" e indicato con SgrA*. Questo buco nero è stato ripreso dalla Collaborazione Event Horizon Telescope in una immagine pubblicata il 12 maggio 2022 e annunciata tramite conferenza al quartier generale di ESO in Germania. Si tratta della prova definitiva della presenza di un buco nero al centro della Via Lattea, anche se l'immagine non mostra direttamente il buco nero (invisibile per definizione) ma una regione di gas incandescente che lo circonda ad anello apparente, visto che parte dell'anello è data dal gas retrostante il buco nero la cui radiazione viene piegata dalla gravità dell'oggetto massiccio. Alla nostra distanza, la dimensione apparente del buco nero è assimilabile a quella di una ciambella posta sulla Luna e per scendere a questa risoluzione è stato necessario unire otto osservatori terrestri fino a giungere a un unico telescopio virtuale che ha operato in più notti nel 2017, con molte ore di ripresa. Tra i telescopi operanti si annoverano ALMA e APEX, IRAM e NOEMA. La difficoltà di ripresa relativamente a SgrA* - a confronto del buco nero di M87 - sta soprattutto nella velocità di rotazione del gas che lo circonda, visto che si tratta di un buco nero nettamente più piccolo: pochi minuti sono infatti sufficienti a compiere una rivoluzione intorno al buco nero e la conseguenza è che la luminosità e la configurazione del gas intorno a SgrA* variano rapidamente durante l'osservazione. L'immagine finale è quindi una media delle diverse immagini estratte durante il lavoro. 

 

 

Nel parsec che circonda il buco nero c'è una enorme densità di stelle e sebbene la maggior parte sia rappresentata da stelle di Sequenza Principale esistono molte stelle massicce la cui formazione risale a pochi milioni di anni fa a fronte di una formazione stellare che, in zona, sembra comunque andata in esaurimento. Si tratta di una presenza anomala, visto che in assenza di formazione stellare non dovrebbero essere presenti stelle giovani, ma l'evoluzione galattica è ancora poco compresa e anche oggi la presenza di un disco di gas molecolare (Disco Circumnucleare - CND) in orbita intorno a SgrA* ha evidenziato una massa molto alta e al limite del valore di contrazione, il che spinge molti a ipotizzare una ripresa della formazione stellare al centro galattico nei prossimi 200 milioni di anni, uno starburst che potrebbe riaccendere la zona centrale della Via Lattea come AGN . Una popolazione di stelle del tutto differente da quella locale è rappresentata da quella scoperta tramite il Very Large Telescope (VLT) di ESO nell'Ammasso Stellare Nucleare, tra gli ammassi stellari più densi tra quelli noti. Il 7% delle stelle di questo ammasso presenta una metallicità molto bassa, inferiore a quella solare, una velocità di rivoluzione e una inclinazione del tutto fuori linea rispetto allo standard del centro galattico. Si tratterebbe di stelle con origine comune migrate verso il centro da zone distanti, con un movimento iniziato tra 3 e 5 miliardi di anni fa. Sull'origine regna l'incertezza, spaziando da una zona galattica a una extra-galattica con una maggiore probabilità a favore della prima ipotesi data da somiglianze con le caratteristiche di stelle di ammassi globulari galattici. Potrebbe quindi essere stata proprio la collisione tra ammassi globulari a creare questa popolazione stellare in orbita nel nucleo (Astrophysical Journal Letters - “On the origin of a rotating metal-poor stellar population in the Milky Way Nuclear Cluster” - Manuel Arca Seddaet al.)

Intorno al buco nero galattico è presente un disco di accrescimento : il gas più caldo è disposto in forma sferica e non presenta segni di rotazione visibili mentre il gas più freddo (diecimila gradi circa) è disposto a disco ed è stato osservato, in rotazione, fino a un centesimo di anno luce dall'orizzonte degli eventi (Nature 2019). Proprio sul bordo più interno del disco di accrescimento, alla distanza di 0.2 UA dal buco nero (per confronto, Mercurio orbita a 0.4 UA dal Sole), sembrano formarsi saltuariamente delle strutture che emettono in banda millimetrica e questa emissione viene amplificata dall'effetto indotto dal buco nero e previsto dalla Relatività Ristretta, effetto che si verifica mentre il moto intorno al buco nero conduce i punti radio ad avvicinarsi all'osservatore. La velocità di rotazione del bordo interno del disco è molto grande, quindi l'effetto di amplificazione è notevole. Il legame tra questi punti di emissione e la rotazione del disco interno è dato dal rinvenimento di segnali quasi periodici nell'ordine dei 30 minuti, proprio il tempo necessario a completare un giro. A questi segnali si accompagnano altri della durata di circa un'ora (Yuhei Iwata et al, Time Variations in the Flux Density of Sgr A* at 230 GHz Detected with ALMA, The Astrophysical Journal - 2020). 

Sono state elaborate simulazioni in grado di evidenziare l'influenza che il buco nero potrebbe avere sulle stelle vicine, in particolare su una trentina di stelle di tipo Wolf Rayet, molto massicce e giovani. Dai dati è stato derivato che probabilmente SgrA* ha sperimentato un burst da pochi secoli, burst che ancora influenza la regione adiacente. Regione che in effetti mostra ciò che sembrano resti di burst passati o di un ruolo di AGN oggi scomparso: in tal senso sono importanti le Bolle di Fermi, due enormi bolle a raggi gamma che si propagano perpendicolarmente al piano galattico, due colonne di gas evidenti in raggi X scoperte a Marzo 2019 e infine due bolle, che si diramano sempre perpendicolarmente dal centro, osservate a onde radio tramite South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) MeerKAT telescope. Ci sono diversi modelli sulla generazione delle bolle, tra i quali i principali vertono sulla formazione stellare nel centro galattico e sull'attività del buco nero. Secondo uno studio del 2020 le bolle di Fermi e la struttura bi-conica a raggi X potrebbero addirittura essere spiegati dallo stesso fenomeno, uno shock creato dai getti emanati da SgrA* cinque milioni di anni fa (in realtà il periodo è incerto, come diremo a breve). Il perimetro delle bolle di Fermi sarebbe quindi la parte avanzata dello shock alimentato dai getti del buco nero, consistente con quanto derivato di recente da osservazioni in ultravioletto. L'energia totale iniettata durante l'evento dal buco nero è prossima al rilascio energetico generato da ventimila supernovae, con un consumo di materia pari a cento masse solari. Escludere formazione stellare o vento da buco nero consente di accomunare l'origine anche per le colonne a raggi X: getti collimati possono depositare gra parte dell'energia in modo veloce lungo la direzione dei getti, portando a una base stretta per il fronte d'urto nei pressi del piano galattico (Ruiyu Zhang et al. Simulating the Fermi Bubbles as Forward Shocks Driven by AGN Jets, The Astrophysical Journal - 2020).

A tutto questo si aggiunge, alla fine del 2020, una gigantesca struttura bilobare che taglia il disco galattico nei dati del telescopio eRosita, a bordo della missione russo-tedesca Spectrum-Roentgen-Gamma (SGR). Queste "bolle di eRosita", così chiamate per la somiglianza alle bolle di Fermi già viste, sembrano anch'esse legate a una passata attività del buco nero. Non si tratta di una reale novità e la parte settentrionale della struttura era già nota come "Sperone del Polo Nord" (anche se su questo ci sono forti dubbi, come diremo a breve), ma si riteneva potesse trattarsi di un resto di supernova. L'osservazione a larghissimo campo ha consentito di ottenere una visione di insieme e di dare a quanto osservato la giusta natura, legata al centro galattico ed estesa in tutto l'alone. La banda osservata è tra 0.6 e 1.0 keV, mille volte più energetica della luce visibile, e mostra bolle giganti che coprono 50 mila anni luce di diametro. Le bolle di eRosita accolgono le bolle di Fermi ma non è ancora noto se le due strutture siano legate da uno stesso episodio oppure derivino da due burst distinti. In ogni caso può trattarsi dei segni più chiari del ciclo dei barioni della nostra Via Lattea (Nature - “Detection of large-scale X-ray bubbles in the Milky Way halo” - P. Predehl et al.).

Per quanto riguarda lo Sperone del Polo Nord, prima accennato, si tratta di una struttura di oltre trenta gradi altamente polarizzata. Anche se è stato detto che potrebbe essere parte delle Bolle di eRosita, altre teorie lo vogliono struttura locale di un resto di supernova distante poche centinaia di anni luce mentre altre ancora lo posizionano a migliaia di anni luce. La misura più accreditata sembra essere di appena 500 anni luce, il che escluderebbe l'appartenenza alle bolle e collocherebbe la struttura alla associazione Scorpius-Centaurus OB (Kaustav K Das et al. - Constraining the distance to the North Polar Spur with Gaia DR2, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2020).

Il 2020 ha portato anche alla scoperta di un gas freddo e denso "sparato" dal centro galattico come proiettile: il processo di espulsione non è ad oggi noto ma ha importanti implicazioni sull'evoluzione della Via Lattea visto che si tratta di materiale adatto alla formazione stellare che viene espulso e che, soprattutto, pone interessanti domande su cosa accada effettivamente intorno a SgrA*, fermo restando che l'espulsione potrebbe essere stata generata dal buco nero ma anche dalle stelle massive nei dintorni. Si tratta, stavolta, di un gas freddo e quindi più lento nel suo movimento, ma nonostante questo capirne l'origine è estremamente complesso sebbene si tratti di un processo osservato anche in altre galassie, con buchi neri più massivi e decisamente troppo distanti per essere osservate in dettaglio (Cold gas in the Milky Way's nuclear wind, Nature - 2020).

Si diceva sul periodo incerto e un input importante può venire da vicini di casa: il burst del buco nero avrebbe infatti lasciato segni per circa un milione di anni a partire (non da 5 ma) da 3.5 milioni di anni fa, e la prova di questo sarebbe da ricercare in uno stream di gas che collega le Nubi di Magellano. A determinare l'esplosione potrebbe essere stata una nube di idrogeno di centomila masse solari in orbita intorno a SgrA* mentre il risultato sarebbe stato un burst di radiazione in ultravioletto sopra e sotto il piano della Via Lattea. Nel lato sud, questo cono di radiazione avrebbe illuminato lo stream gassoso tra le Nubi di Magellano, ionizzandone l'idrogeno. La scoperta è stata effettuata tramite l'osservazione di Hubble di quasar distanti la cui luce ha evidenziato l'impronta degli atomi ionizzati nello stream. Questo evento dovrebbe poi aver impattato nel mezzo intergalattico circostante creando due grandi bolle energetiche, le Bolle di Fermi appunto (Kinematics of the Magellanic Stream and Implications for its Ionization). L'idea è stata presentata al 236° meeting della AAS a giugno 2020 ma si tratta di un concetto già studiato in precedenza e che verteva proprio sullo studio del Magellanic Stream, la coda di gas che segue la Grande e la Piccola Nube di Magellano (The Large-Scale Ionisation Cones In The Galaxy or "Bland-Hawthorn") e che sembrerebbe molto più vicina di quanto non sia stata pensata finora, tanto da lasciar pensare a una interazionen con la Via Lattea a "breve" termine e a soli 20 kiloparsec dalla Terra (65 mila anni luce) (Scott Lucchini et al, The Magellanic Stream at 20 kpc: A New Orbital History for the Magellanic Clouds, The Astrophysical Journal Letters - 2021). Questo stream  presenta i segni dello scontro con dei coni di particelle emessi da SgrA in un tempo ricondotto a 3.5 milioni di anni fa, in burst noti come Seyfert Flares. Questi coni di particelle ionizzate si sono estese perpendicolarmente al piano galattico con una energia giustificabile soltanto da una attività da parte del buco nero centrale. Tre milioni di anni fa, o poco più, rappresenta effettivamente un tempo minimo nella storia della Galassia, se si pensa che i dinosauri si sono estinti 63 milioni di anni fa. Se da un lato, quindi, ci sono teorie ben solide su tempi ed eventi, più in dubbio è la creazione delle Bolle di Fermi per le quali si ipotizza uno scontro con il mezzo circostante. Torneranno sicuramente utili le informazioni provenienti dallo spettro ottico, dal momento che al 236° meeting della AAS sono stati riportati i dati del telescopio Wisconsin H-Alpha Mapper che ha consentito di seguire l'emissione di idrogeno e azoto nello spettro visibile nella stessa posizione delle misurazioni effettuate in ultravioletto da Hubble. Combinando le misurazioni è stato possibile stimare densità, pressione e temperatura del gas ionizzato, il che consente di capire meglio da dove queste bolle abbiano origine.

 

 

Quando la gravità di SgrA* attrae materia, questa viene stirata nel momento di avvicinamento al buco nero. A conferma, e ad approfondire il mistero della presenza di stelle giovani, uno studio apparso su Astrophysical Journal Letters a cura della Northwestern University a Novembre 2017 e basato sui dati raccolti da ALMA ha evidenziato i segni della formazione di almeno undici stelle di piccola massa, entro i tre anni luce da SgrA*. A questa distanza le forze mareali dovrebbero essere talmente energetiche da spezzare le nubi di polvere e gas prima che queste riescano a formare stelle ma le protostelle osservate stanno lì a dire il contrario. L'età delle protostelle si aggira intorno ai seimila anni e si tratta della fase più giovane mai osservata in un ambiente tanto difficile. Gli astri in formazione sono stati identificati tramite i classici "getti a doppio lobo" evidenziati dalle righe del monossido di carbonio osservato da ALMA scavalcando, nelle frequenze osservate, anche lo spesso banco di polveri che in genere impedisce di scrutare il centro galattico. 

A lungo il centro galattico è stato nascosto ai nostri occhi, e lo sarebbe ancora senza l'evoluzione tecnologica degli strumenti ottici. La spessa coltre di nubi che si addensa sul piano galattico ci impedisce di allungare l'occhio oltre i 10.000 anni luce. Abbiamo potuto vedere, tuttavia, i centri galattici di galassie simili alla nostra, immersi in nuclei centrali ricchissimi di stelle e di materia interstellare. 

Dalla combinazione dei dati di Hubble Space Telescope e di Chandra X-ray Observatory, la NASA ha elaborato un video a 360° del centro della Via Lattea.

Inizialmente proprio il fatto di non poter vedere oltre indusse gli astronomi, tra i quali Herschel (tutti, William, Caroline e John) e Cornelius, a pensare che il Sole fosse esattamente al centro della Galassia: il numero di stelle per grado quadrato appariva infatti lo stesso in ogni direzione, ma soltanto perché le altre stelle erano coperte dalle nubi del centro galattico. La presenza di polveri è tale per cui soltanto un fotone su 100 miliardi, di quelli ottici, giunge fino a noi, mentre a lunghezze radio le osservazioni sono ottimali. Anche le lunghezze d'onda più corte come quelle gamma possono giungere a noi indisturbate o quasi. Possiamo oggi sapere che la densità di stelle è un milione di volte maggiore al centro galattico rispetto alle zone più periferiche del disco, con una distanza media tra stelle di una settimana luce soltanto. Oltre a queste, però, ci sono anche polveri e gas che emettono in radio e infrarosso  lontano. Con un dettaglio di circa 30 anni luce si nota una forte sorgente di radiazione infrarossa nel centro galattico.
Fu Harlow Shapley ad individuare la direzione del centro galattico studiando invece gli ammassi globulari, e verificando come questi siano più presenti verso la costellazione del Sagittario. Gli ammassi globulari, infatti, non sono dislocati sul piano galattico come le stelle, e sono meno suscettibili di esserne coperti. Tutti quegli ammassi galattici, secondo Shapley, stavano orbitando intorno al centro galattico, proprio nel Sagittario. Partendo da stelle di tipo RR Lyrae, Shapley stimò anche la distanza del Sole dal centro galattico in 60.000 anni luce ma poi, la comprensione del fatto che le polveri attenuavano la brillantezza di queste stelle, ricalibrò il tutto in 27.000 anni luce di distanza. 

A Gennaio 2019 le osservazioni del Very Long Baseline Interferometer, impreziosito dal contributo di ALMA (Atacama Large Millimeter Array) hanno pulito la zona centrale dall'effetto di scattering evidenziando una misura di SgrA* e della zona adiacente molto inferiore a quanto stimato oltre a una forma simmetrica, il che lascia pensare che per puro caso il buco nero stia indirizzando proprio verso la nostra direzione i propri getti radio (articolo).

Uno studio condotto da Heino Falcke, Fulvio Melia e Eric Agol alla fine degli anni Novanta ha portato a stime sulla dimensione del disco apparente intorno a SgrA* che sarebbe visibile da Terra tramite radiointerferometria: il disco - secondo i calcoli - dovrebbe apparire dieci volte più grande rispetto all'orizzonte degli eventi. Dovrebbe quindi essere possibile osservare anelli di radiazione intrappolata nel disco prima di un'ombra scura, l'ombra del buco nero. Un'ombra che, anche se riguardante un buco nero supermassiccio, è comunque molto piccola in termini di risoluzione angolare e proprio per questo è necessaria l'interferometria radio.

In un'area di 700 anni luce dal centro, sul piano galattico, sono presenti quattro radiosorgenti principali, ciascuna con un diametro minore di 50 anni luce: si tratta di Sagittarius D, Sagittarius B, Sagittarius A e Sagittarius C. Il centro della Galassia è individuato proprio in SgrA e proprio da questo punto partono le coordinate galattiche. Da SgrA parte un getto arcuato. SgrA si compone a sua volta di due sorgenti, chiamate rispettivamente SgrA Est e SgrA Ovest. SgrA Ovest ha una emissione molto più intensa del suo gemello e presenta, nella sua parte più emittente, una sorgente radio compatta chiamata SgrA*, che rappresenta proprio il preciso centro galattico.
Intorno a SgrA* è presente una corona di gas molecolare con raggio di 6 anni luce e una rotazione la cui velocità è di 100 km/s. Si tratta di una formazione molto instabile, con un diametro inferiore a 3 ore luce (pari all'orbita di Saturno), e - in attesa della conferma ufficiale dell'esistenza dei buchi neri - SgrA* potrebbe essere proprio un buco nero supermassiccio con massa pari a quattro milioni di masse solari. Questo "mostro" induce le stelle vicine a muoversi a velocità superiori alla media, raggiungendo i 4500 km/s (una stella raggiunge addirittura gli 8000 km/s). 

Si tratta di un luogo poco favorevole alla formazione stellare, vista la dominante presenza di radiazioni energetiche e di campi magnetici, e questa poca ospitalità è sempre stata avallata dai dati almeno fino al 2021, quando le osservazioni di ALMA hanno dapprima individuato circa 800 bozzoli molto simili a quelli della formazione stellare e poi - da 43 di questi - dei flussi in uscita rappresentanti la firma certa di nuove stelle in fase di nascita. Una prova, questa, di un processo di formazione più efficiente di quanto ritenuto fino ad allora (Xing Lu et al. ALMA Observations of Massive Clouds in the Central Molecular Zone: Ubiquitous Protostellar Outflows, The Astrophysical Journal (2021). 

Legato a questa attività è il concetto di abitabilità galattica: i dati mostrano come la troppa vicinanza al buco nero esporrebbe i pianeti presenti a una radiazione troppo potente nella fase attiva, nonché a fenomeni violenti facilitati da una densità stellare nettamente superiore alla media, mentre una lontananza eccessiva corrisponderebbe a una minore presenza di componenti organiche e molecole complesse, nonché elementi rocciosi, il che va contro i principi accettati per lo sviluppo della vita come la conosciamo. La via di mezzo corrisponde proprio alla posizione del Sole e del Sistema Solare (La Sapienza, Sciences Reports, Novembre 2017). In tema di "vita", proprio in direzione del centro galattico è stata rinvenuta etanolammina (NH2CH2CH2OH), forma più semplice dei fosfolipidi che costituiscono le membrane cellulari e che potrebbero essere all'origine della vita sulla Terra (Proceedings of the National Academy of Sciences - “Discovery in space of ethanolamine, the simplest phospholipid head group“ - Víctor M. Rivilla et al.).

Lo stato di quiete (apparente) viene alterato saltuariamente da eventi transitori come quello registrato il 13 maggio 2019, quando il Keck Telescope ha osservato un aumento di luminosità superiore di 75 volte rispetto al livello normale, per una durata di due ore. Un flare non visibile nello spettro ottico ma soltanto nel vicino infrarosso , con un flusso doppio rispetto a quello precedente. Le osservazioni non puntavano direttamente il centro galattico ma la stella S0-2, facente parte del gruppo delle stelle "S" che orbitano intorno al buco nero in modo molto stretto. Rispetto a flare precedentemente registrati, quello del 2019 è apparso decisamente più potente e potrebbe essere dovuto alla distruzione di qualche oggetto avvicinatosi troppo, sebbene una alternativa riporti a errati modelli di comprensione del buco nero . Una candindata potrebbe essere proprio S0-2, giunta al punto orbitale più prossimo a SgrA* a metà 2018, alla distanza di appena 17 ore luce. Questo avvicinamento potrebbe aver alterato il flusso di materiale verso il buco nero, generando una variabilità della quale il flare è soltanto l'apice, giunto un anno dopo rispetto al passaggio della stella. Sebbene S0-2 sia la stella più grande della categoria, la sua massa rende comunque improbabile questa possibilità. Si può optare quindi per una nuvola di gas, come G2 osservata nel 2012. Al momento del passaggio ravvicinato non accadde nulla di rilevante ma a medio termine qualche effetto potrebbe essere stato generato. Ultima, per ora, possibilità vede il flare come conseguenza della natura grumosa del materiale in caduta verso il centro, il che dovrebbe consigliare un aggiornamento dei modelli di comportamento del buco nero ("Unprecedented variability of Sgr A* in NIR").

Nel 2019, quindi, le osservazioni hanno evidenziato come il buco nero galattico sia insolitamente più irrequieto rispetto al solito, alle prese con un ampio pasto di gas e polvere interstellari. Nulla di simile era mai stato visto per SgrA* e la motivazionea alla base di questo comportamento non è ben compresa. Sono state analizzate 13 mila osservazioni della zone, ottenute in 133 notti a partire dal 2003 e le immagini del Keck Observatory e del Very Large Telescope hanno evidenziato come il 13 maggio - come detto - l'area a ridosso dell'orizzonte degli eventi fosse due volte più brillante rispetto al massimo mai raggiunto fino ad allora. Dopo quella sera, altre due notti hanno portato a evidenti variazioni, tutte "senza precedenti" per ampiezza. 
L'attività è indotta dalla radiazione proveniente da gas e polvere in caduta nel buco nero ma ci si chiede se sia l'avvio di una fase più attiva della zona centrale della Galassia oppure un evento sporadico. In ogni caso, nessun rischio per il nostro pianeta, distante 26 mila anni luce: per danneggiare la Terra occorrerebbe una radiazione dieci miliardi di volte superiore a quella osservata.

In realtà il buco nero centrale della Via Lattea è variabile: SgrA* è stato monitorato a onde radio fin dagli anni Cinquanta del secolo scorso e la variabilità è stata riportata per la prima volta nel 1984: dapprima in radio, poi in infrarosso , submillimetrico e raggi X . In media, il buco nero accresce materiale a tassi molto bassi, pari a pochi centesimi di massa terrestre ogni anno. Conoscere la variabilità è importante per diverse ragioni e tra queste per la misurazione delle dimensioni della regione, dedotte dal tempo di attraversamento della luce. I flare misurati hanno raddoppiato in potenza in meno di 47 secondi, un tempo corrispondente alla distanza teorica dell'orizzonte degli eventi. La variabilità quindi può avere origine principalmente dalla regione posta al doppio dell'orizzonte stesso, proprio come il resto della variabilità osservata in altre bande spettrali (Rapid Variability of Sgr A* across the Electromagnetic Spectrum, arXiv).  La variabilità giornaliera - con picchi da dieci a cento volte superiori alla media - è quindi già nota mentre per scoprire una variabilità a più lungo termine sono stati necessari anni di osservazioni (in tutto quindici) per accorgersi di alti livelli di attività gamma dal 2006 al 2008 prima di un forte calo di quattro anni e di una nuova impennata dopo il 2012. Non è stato osservato un pattern preciso ma la variabilità sembra quindi essere presente anche nel lungo periodo (Monthly Notice of the Royal Astronomical Society - “A Swift study of long-term changes in the X-ray flaring properties of Sagittarius A” - A. Andrés et al.)

Proprio tra le stelle di tipo "S", cioè quelle in orbita intorno al buco nero centrale, viene spesso battuto il record di velocità orbitale: prima il record era detenuto da S4711, una stella di classe spettrale B, con 150 milioni di anni di età. Alla massima vicinanza a SgrA* dista 21.5 miliardi di chilometri e ha il periodo orbitale minore tra tutte le stelle della tipologia "S". Impiega soltanto 7.6 anni a compiere un giro intorno al buco nero. La seconda stella per velocità si chiamava S62 e si muoveva a una velocità pari all'8% della velocità della luce, trattandosi della stelle con la seconda orbita più stretta rispetto a SgrA*. La stella ha una massa pari a due masse solari e orbita intorno al buco nero in appena dieci anni, raggiungendo il massimo della velocità nel punto di minor distanza dal centro. Un'ora passata su S62 corrisponde a circa 100 minuti terrestri e anche il suo moto si distanzia da quello kepleriano: anziché una semplice ellisse, la stella spiraleggia con una precessione di 10 gradi a ogni giro. Il prossimo approccio ravvicinato si avrà nell'autunno 2022 ​​(Florian Peißker et al. S62 on a 9.9 yr Orbit around SgrA*, The Astrophysical Journal - 2020). Esistono altre stelle molto vicine e una di queste, S4714, raggiunge la velocità di 24 mila chilometri al secondo alla massima vicinanza, misurata in 1.9 miliardi di chilometri: sembrerebbe più vicina ma l'orbita è molto ellittica e il periodo orbitale si chiude in 12 anni (The Astrophysical Journal -“S62 and S4711: Indications of a population of faint fast moving stars inside the S2 orbit — S4711 on a 7.6 year orbit around Sgr~A*” - Florian Peißkeret al.). Il record di avvicinamento al buco nero centrale è stato a oggi fissato da S29, con il passaggio tra marzo e luglio 2021 avvenuto a soli 13 miliardi di chilometri (circa 90 UA) alla velocità di 8740 chilometri al secondo. Maggiori informazioni su queste stelle vengono dall'elevatissima sensibilità del VLT, che a fine 2021 ha addirittura scoperto un altro astro battezzato poi S300. Proprio grazie a queste osservazioni è possibile ottenere la stima della massa del buco nero centrale nonché una continua verifica della Relatività Generale (Astronomy & Astrophysics - “Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits” - Gravity collaboration).

Trattandosi della zona più densa della Via Lattea, il centro galattico dovrebbe accogliere - o aver accolto - un numero molto alto di stelle e molte di queste dovrebbero essere esplose come supernova  lasciando migliaia di buchi neri di taglia stellare o intermedia. Questo, tra l'altro, dovrebbe valere per ogni galassia con buco nero centrale, quindi per quasi tutte. Ad Aprile 2018 i dati ottenuti da Chandra X-Ray Observatory hanno evidenziato la presenza di deboli e costanti raggi X emessi da sistemi binari composti proprio da un buco nero e da una stella compagna alla quale l'oggetto compatto sottrae materlale. Sono dodici gli oggetti osservati entro tre anni luce dal buco nero SgrA* e le estrapolazioni dei dati dicono che dovrebbero essere presenti circa 10 mila buchi neri, conteggiando quelli solitari e quindi invisibili. A fine 2018 sono state trovate, grazie ad ALMA, le prove dirette di piccole nubi di gas e polvere, probabilmente frammenti di una struttura più grande andata incontro alla violenza della gravità di SgrA* (approfondimento).

Ad Agosto 2018 un team dell'Academia Sinica Institute of Astronomy ha ottenuto buone misurazioni dei campi magnetici legati ai gas in accrescimento intorno al buco nero galattico mostrando un allineamento tra l'orientamento dei campi e il toro di gas ionizzati che ruota intorno a SgrA* (Astrophysical Journal, Agosto 2018, Pey-Ying et al. "A Magnetic Field Connecting the Galactic Center Circumnuclear Disck with Streamers and Mini:spiral"). Il disco circumnucleare (CND) è un toro molecolare in rotazione rispetto a SgrA* e questa mini-spirale dovrebbe originare dal perimetro interno del CND, il quale rappresenta la riserva di cibo più vicina a SgrA*. L'osservazione mostra come i campi magnetici possano influenzare notevolmente il moto delle particelle ionizzate originate nel CND, producendo le mini-spirali che avevano sempre rappresentato un puzzle.

Tramite la CanariCam a infrarosso (e un dispositivo polarimetrico) installata sul Gran Telescopio Canarias è stato invece possibile ottenere una dettagliata mappa delle linee del campo magnetico in gas e polvere intorno al buco nero galattico. La mappa copre un'area di circa un anno luce per ciascun lato rispetto al buco nero centrale e mostra l'intensità della radiazione infrarossa tracciando al tempo stesso le linee del campo magnetico all'interno dei filamenti di grani di polvere calda e di gas caldo. I filamenti sono lunghi diversi anni luce e sembrano avvicinarsi molto al buco nero, il che potrebbe indicare il luogo in cui le orbite degli stream di gas e polvere vanno a convergere. Una struttura effettua un ponte tra alcune stelle brillanti al centro galattico. A dispetto dei venti provenienti da queste stelle i filamenti sembrano rimanere in quiete, protetti dal campo magnetico. Altrove il campo magnetico è meno allineato ai filamenti.

Il piano galattico e in particolare la regione intorno al buco nero centrale sono oggetto anche della Breakthrough Listen Initiative, che osserva a onde radio in cerca di segnali che potrebbero avere origine da civiltà intelligenti. I dati (ben 2 petabytes nella seconda release di inizio 2020 dopo un petabyte rilasciato a giugno 2019) vengono messi a disposizione del pubblico per la ricerca di questa tipologia di segnale. La survey osserva la zona tra 1 e 12 GHz e la metà dei dati proviene dal Parkes radio Telescope in Australia. Un segnale molto intrigante (chiamato BLC1) venne trovato con origine da Proxima Centauri nel set di dati ottenuto tra il 29 aprile e il 4 maggio 2019, ma a fine 2021 lo stesso segnale è stato scartato come falso positivo, con una natura che dipende in realtà da interferenze con dispositivi elettronici del tutto umani (Nature Astronomy - “A radio technosignature search towards Proxima Centauri resulting in a signal of interest” - Shane Smith et al.)

Osservazioni del Very Large Telescope (VLT) hanno rivelato - nel 2020 - la presenza di una stella in orbita intorno al buco nero SgrA*, i cui movimenti vanno ancora una volta a confermare le previsioni della Relatività Generale. L'orbita è ellittica e il periastro precede proprio come Mercurio insegnò a suo tempo. La stella, battezzata S2, si avvicina a meno di 20 miliardi di chilometri dal buco nero, punto in cui raggiunge una velocità pari al tre percento della velocità della luce, con un giro concluso in circa 16 anni (Astronomy & Astrophysics - “Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole” - GRAVITY Collaboration). 

Non mancano le teorie alternative: SgrA*, secondo alcuni di questi pensieri, potrebbe non essere un buco nero ma una enorme massa di materia oscura, il che spiegherebbe anche la mancata distruzione dell'oggetto S2 del quale si è parlato in precedenza. Lo studio è corroborato da una simulazione, dalla quale esce una Via Lattea apparentemente del tutto simile a quella attuale e classicamente dominata da un buco nero centrale (E A Becerra-Vergara et al, Hinting a dark matter nature of Sgr A* via the S-stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters - 2021).

I bracci della Galassia

La Galassia ha dei bracci, come detto. Descrivono una spirale logaritmica inclinata di circa 12 gradi. I bracci ad oggi generalmente accettati sono quattro. 

• BRACCIO DI PERSEO - Si tratta del braccio più grande della Galassia, in direzione della costellazione del Sagittario. E' stato scoperto nel 1950 ed è anche noto come Braccio dei 3 Kiloparsec in base alla distanza dal centro galattico nel tratto più interno. Parte dalla costellazione dell'Aquila, passa tra il Braccio del Sagittario e quello del Cigno fino alle costellazioni di Cigno, Perseo e Poppa. Il punto di massima vicinanza al Sole si ha nella costellazione del Perseo, quindi è noto con questo nome. Ha un raggio di circa 35 mila anni luce e, secondo le ultime stime, il Braccio di Orione rappresenta una ramificazione del Braccio di Perseo e non un braccio primario della nostra Galassia.
• BRACCIO DI REGOLO-CIGNO O BRACCIO DELLA NORMA - Tra i bracci secondari della Galassia, con un raggio di 15.5 kpc, viene chiamato Braccio della Norma nella zona interna e Braccio di Regolo-Cigno in quella esterna. Origina dalla costellazione dell'Aquila, dal bulge galattico, e si dirige verso Regolo. Si nasconde poi dietro il centro galattico ed esce alla visibilità nella costellazione del Cigno per arrivare poi in Cefeo e Cassiopea.
• BRACCIO SCUDO-CROCE O SCUDO-CENTAURO - Braccio della Galassia, posto tra il Braccio del Sagittario e il Braccio di Perseo, trae origine presumibilmente dalla barra galattica unitamente al Braccio del Sagittario per poi deviare verso la Croce del Sud. Proprio questa zona rappresenta una delle maggiori in fatto di formazione stellare.
• BRACCIO CARENA-SAGITTARIO - Il braccio del Sagittario è tra i più estesi ed il più interno rispetto alla nostra posizione, composto da una molteplicità di regioni di formazione stellare. Origina dalla barra galattica, nel lato opposto al nostro, per uscir fuori nel Cigno e dirigersi verso la Carena. Molti degli oggetti di questo braccio ricadono nella costellazione del Sagittario. Proprio il braccio del Sagittario è stato al centro del dibattito sul numero di bracci galattici.

Tra le altre strutture minori: 

• BRACCIO DI ORIONE O SPERONE DI ORIONE - Al suo interno si trova il nostro Sistema Solare. Il punto più ricco si trova proprio nella costellazione di Orione e scorre tra due bracci importanti come Sagittario e Perseo. Forse si tratta di una ramificazione del Braccio del Perseo. Il nostro Sole si trova all'interno del Braccio di Orione, vicino al bordo della Bolla Locale, una cavità del mezzo interstellare esteso per circa 300 anni luce e con una densità di idrogeno neutro dieci volte inferiore alla media.
• SPERONE DEL CENTAURO - Struttura di forma irregolare che parte dal Braccio del Sagittario e punta verso il Braccio della Croce del Sud.
• BRACCIO ESTERNO - Scoperto nel 2011 da Thomas Dame e Patrick Thaddeus in base al tracciamento del monossido di carbonio, il braccio è lungo 24 kpc e potrebbe trattarsi della continuazione del braccio Scudo-Centauro.
• ANELLO DELL'UNICORNO - All'esterno dei bracci maggiori si distingue un anello di stelle e gas che le forze mareali hanno strappato ad altre galassie, principalmente alla nana ellittica del Cane Maggiore. La sua massa si stima di 100 milioni di masse solari, con una lunghezza di 70 kpc.

Una particolarità riguarda l'inclinazione dei bracci e la formazione stellare galattica: si è sempre pensato che qualsiasi struttura nebulosa presente nei bracci tenda ad allineare la propria inclinazione a quella del braccio che la ospita. Ad esempio, un braccio che effettua un giro completo intorno al centro ha inclinazione 0 mentre man mano che si apre vede aumentare il coefficiente. Il Braccio del Sagittario forma un angolo di inclinazione di 12° ma i dati ottenuti da Spitzer combinati con le posizioni ottenute da Gaia evidenziano una regione di formazione stellare che sembra totalmente sganciata, presentando una inclinazione di ben 60°.  In realtà si tratta di strutture già viste in altre galassie e chiamate speroni o piume, ma fino al 2021 non si era mai osservato nulla nella Via lattea. La zona di formazione stellare, tra l'altro, ospita delle perle note a tutti come la Nebulosa Aquila, La Nebulosa Omega, la Trifica e la Laguna (M. A. Kuhn et al, A high pitch angle structure in the Sagittarius Arm, Astronomy & Astrophysics - 2021). 

 

 

 

Ultimo aggiornamento del: 13/05/2022 17:50:10

Storia e evoluzione e futuro della Via Lattea

I bordi più esterni della nostra Galassia raccontano una storia fatta di interazioni gravitazionali e di antiche fusioni, alcune anche molto importanti. Il futuro della Via Lattea è una fusione altrettanto importante con la galassia di Andromeda

Sebbene la formazione della Via Lattea sia ancora da decifrare così come la formazione di tutte le galassie dell'universo, per l'evoluzione possiamo dire qualcosa in più soprattutto in seguito all'applicazione di osservazioni multifrequenza. 

Innanzitutto il popolamento stellare: non sarebbe avvenuto in maniera lineare e costante ma seguendo un percorso fatto di burst e di periodi di calma. L'80% circa delle stelle centrali dovrebbe aver avuto origine tra 8 e 13.5 miliardi di anni fa, con successivo periodo di quiete di circa sei miliardi di anni. Un nuovo burst sarebbe avvenuto un miliardo di anni fa, con decine di milioni di masse solari che hanno iniziato a brillare in meno di cento milioni di anni (Nature Astronomy - “The nuclear disc of the Milky Way: Early formation, long quiescence, and starburst activity one billion years ago” - F. Nogueras-Lara et al.).

In ogni caso, la formazione della Galassia è stata sottoposta a "reverse engineering" attraverso lo studio dei più antichi ammassi di stelle, i quali dovrebbero condividere la formazione con la Via Lattea intera. Gli altri ammassi devono essere stati acquisiti in seguito, con il fagocitamento di galassie satelliti minori. Queste ultime dovrebbero essere state cinque e dovrebbero essere state distrutte lasciando i propri ammassi vivere per miliardi di anni. Dai movimenti, dall'età e dalla composizione chimica degli ammassi stessi dovrebbe essere possibile ricostruire, in un viaggio all'indietro, la storia galattica fino alla formazione (Duncan A Forbes. Reverse engineering the Milky Way, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  - 2020). Un esempio viene nel 2020 con la scoperta di un ulteriore flusso di stelle, battezzato Nyx e scoperto dai dati di Gaia, la cui origine dovrebbe essere extra-galattica, a testimonianza di una ulteriore opera di fusione con una galassia nana di passaggio (Lina Necib et al, Evidence for a vast prograde stellar stream in the solar vicinity, Nature Astronomy - 2020).

Le prime fasi di vita della Via Lattea sono state caratterizzate da collisioni con altre galassie e una di queste è stata particolarmente importante comportando ripercussioni nell'alone e nel bulge. La galassia "scontrata" dovrebbe essere stata una nana, battezzata "Sausage", salsiccia: l'incontro sarebbe avvenuto tra 8 e 10 miliardi di anni fa, e avrebbe comportato la distruzione della galassia malcapitata. Le sue stelle avrebbero iniziato a muoversi in orbite molto eccentriche, andando a sfiorare il centro galattico per poi allontanarsi decisamente. Proprio la forma allungata delle orbite ha consigliato il nome di "salsiccia". Lo studio è di metà 2018 e si basa sui dati del satellite Gaia di ESA, in grado di mappare perfettamente posizione e moto di miliardi di stelle. La massa della "Salsiccia" dovrebbe essere stata pari a 10 miliardi di masse solari, una massa in grado addirittura di deformare o frazionare il disco che quindi avrebbe necessitato, in seguito, di una ricostruzione. La rimodellizzazione si rinviene nei percorsi delle stelle, poste tutte alla stessa distanza dal centro galattico. Il condizionale è d'obbligo visto che ci si muove nel campo delle teorie, tanto è vero che a fine 2018, sempre dai dati di Gaia, sembrerebbe emergere una diversa vertà, sempre centrata sui dieci miliardi di anni fa. La galassia con la quale la Via Lattea si sarebbe fusa non sarebbe poi così nana ma si tratterebbe di una galassia a disco simile alla Nube di Magellano, battezzata Gaia-Enceladus proprio ad esaltare la dimensione (Enceladus, nella mitoogia greca, è un gigante nato da Gaia e da Urano). La conferma di questa fusione verrebbe da una stella singola come Nu Indi, nella costellazione dell'Indiano, una stella di undici miliardi di anni di età, valore ottenuto tramite astrosismologia operata dal Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA. Il moto di questa stella dovrebbe essere stato variato proprio dalla collisione tra Via Lattea e Gaia-Enceladus, il che fornisce indicazioni anche sul "quando" la collisione sarebbe avvenuta, fissandone il limite massimo (Nature Astronomy - “Age dating of an early Milky Way merger via asteroseismology of the naked-eye star ν Indi”  William J. Chaplin). L'evoluzione successiva di questo evento, il più grande tra le fusioni sperimentate dalla nostra Galassia e in grado di riscaldare le stelle del disco fino all'alone, viene poi analizzata da un lavoro del 2021. La famiglia di stelle della galassia Gaia-Sausage-Enceladus è stata totalmente dissolta tanto da rendere molto complesso, oggi, recuperarne le stelle originarie a meno di non andare a studiare il DNA degli astri: sono state così identificate 1534 stelle povere di metalli all'interno di 8 milioni di stelle indagate dalla survey LAMOST. Si tratta di stelle sorprendentemente giovani, ancora non nate all'epoca dell'impatto e la loro posizione di 4 kpc al di sopra del disco indica che lo "splash" di partenza non può aver portato le stelle in questa posizione. Nel corso del tempo, i discendenti della galassia originaria e le stelle Galattiche si sono fuse divenendo indistinguibili per posizione, cinematica e chimica e sotto la gravità viaggiano verso la galassia di Andromeda (Gang Zhao et al, Low-α metal-rich stars with sausage kinematics in the LAMOST survey: Are they from the Gaia-Sausage-Enceladus galaxy?, Science China Physics, Mechanics & Astronomy - 2021).

Informazioni fondamentali derivano anche dall'osservazione dei bordi della spirale della nostra Galassia, ricchi di zone di formazione stellare innescata dalle interazioni con galassie minori di passaggio e dai conseguenti giochi gravitazionali. La presenza di queste regioni consente alla Via Lattea di espandere costantemente le proprie dimensioni e per averne una prova è sufficiente osservare altre galassie simili alla nostra. Osservando il movimento delle stelle più giovani ai bordi di NGC 4565 e NGC 5907, distanti 50 milioni di anni luce, tramite gli occhi della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Galex e Spitzer, infatti, è stato possibile misurare il movimento di giovani astri che si stanno allontanando dalle regioni di nascita. Alla velocità di 500 metri al secondo, pari alla media velocità osservata in queste galassie, tra circa 3 miliardi di anni la nostra Via Lattea avrà una dimensione superiore a quella di oggi in misura del 5%. C'è, in tal senso, anche una prova diretta grazie di nuovo ai dati della sonda Gaia di ESA: Gaia - come detto - ha misurato con estrema precisione la posizione e il movimento di miliardi di stelle e proprio dal movimento degli astri periferici è stato possibile dedurre interferenze gravitazionali dovute al passaggio o all'assorbimento di galassie minori, con conseguente aumento di formazione stellare e, in ultima istanza, di espansione dei confini esterni. Proprio la Data Release 2 ha consentito di misurare il moto di ben 39 galassie nane satelliti della Via Lattea evidenziando come molte siano presenti intorno al punto di pericentro: dal momento che le orbite di questi oggetti sono molto ampie, si presume che ne esistano in misura molto maggiore rispetto a quanto pensato fino alle misurazioni di Gaia. Proprio questo moto ha consentito anche di stimare la quantità di materia oscura della Galassia in 1.6 trilioni di masse solari (link all'articolo) ma ci si basa sempre sull'ipotesi di staticità della Galassia. La prima stima di misurazione della materia oscura galattica senza dover staticizzare i corpi celesti viene nel 2021 e sfrutta le pulsar osservate tramite NANOgrav: si ottiene così la prima misura delle minuscole accelerazioni sperimentate dalle stelle galattiche e si estende il lavoro alla materia oscura su scale maggiori. Questi movimenti osservati sono nell'ordine di pochi centimetri al secondo misurati su oggetti che si muovono a centinaia di chilometri al secondo, il che richiede una precisione enorme che le pulsar sul piano galattico e nell'alone possono fornire. Proprio con la sua estensione di circa 300 mila anni luce dal centro galattico, l'alone è fondamentale per le informazioni sulla materia oscura, altamente concentrata sopra e sotto il piano galattico denso di stelle e quindi in grado di alterare le velocità stellari. Non velocità, quindi, ma accelerazioni: queste sono le chiavi per la determinazione della quantità di materia oscura galattica (Sukanya Chakrabarti et al. A measurement of the Galactic plane mass density from binary pulsar accelerations. arXiv). 

Sempre dai bordi esterni della Via Lattea sono state dedotte interazioni passate con altre galassie nane: la presenza di sottostrutture filamentose rotanti, osservate sempre tramite Gaia, sembra compatibile con l'interazione con altre galassie ma la conferma potrà arrivare solo dallo studio delle popolazioni stellari (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - “Kinematics beats dust: unveiling nested substructure in the perturbed outer disc of the Milky Way“ - C.F.P. Laporte et al.).

Per identificare le stelle nate insieme si studia il movimento delle stesse alla ricerca di similitudini e proprio questo ha consentito ai dati di Gaia di fornire un quadro molto dettagliato della Via Lattea, fino a grandi distanze. I dati hanno consentito di tracciare la struttura e la formazione stellare intorno al Sistema Solare e fino a 3.000 anni luce di distanza, osservandone i cambiamenti e sottoponendoli ad algoritmi di machine learning. Circa la metà delle stelle studiate è posta lungo delle stringhe che rispecchiano le caratteristiche tipiche delle nubi dalle quali sono nate: contrariamente a quanto ritenuto fino allo studio, le stelle non abbandonano la propria nursery dopo pochi milioni di anni dalla nascita ma i legami restano per un paio di miliardi di anni. Ciò che interessa la Via Lattea è la disposizione delle stringhe rispetto ai bracci galattici, disposizione che sembra dipendere dall'età delle stelle: le stringhe più giovani, fino a cento milioni di anni di età, tendono a formare angoli retti rispetto al braccio di spirale più prossimo al Sistema Solare. Le stringhe più anziane, di conseguenza, devono essere state influenzate da qualche processo fino a disporsi in maniera differente. Le stringhe più vecchie, quindi, sono un fondamentale indizio per la comprensione della storia evolutiva della Galassia e consentiranno di capire se  i bracci galattici stessi sono strutture statiche, da sempre presenti, o più dinamiche, in grado di sparire e rigenerarsi. (Marina Kounkel et al. - "Untangling the Galaxy. I. Local Structure and Star Formation History of the Milky Way", The Astronomical Journal - 2019)

Le stelle più antiche sembrano anche muoversi più velocemente dentro e fuori dal disco rispetto alle più giovani. Le motivazioni non sono chiare ma le teorie sono diverse: le stelle più periferiche al disco potrebbero risentire del passaggio di galassie nane mentre quelle più interne potrebbero essere disturbate da nubi di gas in movimento. Il maggior moto delle stelle antiche dovrebbe comunque essere legato all'appartenenza a una Galassia che, in passato, era decisamente più violenta di quanto non lo sia oggi. I dati sono stati ottenuti da Gaia, da APOGEE della Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e dal Keck. Relativamente alle stelle più antiche della galassia, quelle il cui contenuto di metalli è un milionesimo di quella del Sole, si è sempre ritenuto come l'orbita percorsa le rendesse stelle di alone o di bulge ma lo studio di 475 astri di questo tipo ha evidenziato come l'11% si trovi invece a orbitare il centro galattico sul disco, esattamente come il Sole, in un percorso del tutto inatteso e che potrebbe far ripensare alcuni tasselli circa la formazione della Via Lattea. La maggior parte di questi astri rispetta le attese, ma alcune si trovano su percorsi del tutto inspiegabili a oggi, a volte seguiti anche in moto retrogrado. Il 5% è addirittura prossimo ad abbandonare la Via Lattea (Cordoni et al. Exploring the Galaxy's halo and very metal-weak thick disk with SkyMapper and Gaia DR2, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2020).

I dati di Gaia hanno consentito anche di scoprire nell'alone galattico i resti di fusioni sperimentate dalla Via Lattea. Sono cinque i raggruppamenti anomali di stelle derivanti dalla fusione con galassie minori, ai quali si aggiunge una enorme bolla di centinaia di stelle come fossile di una fusione maggiore. Lo studio (One Large Blob and Many Streams Frosting the nearbyStellar Halo in Gaia DR2 - The Astrophysical Journal, 2018) si è basato sul movimento di 6000 stelle di alone ma a dare maggior forza alla origine "aliena" della bolla maggiore è il movimento retrogrado rispetto al movimento del disco, quindi ad oggi si può dire con certezza che la nostra Galassia sia stata modellata da un evento di fusione maggiore e tanti altri minori. I dati di Gaia hanno aggiunto più di cento stelle anche allo stream di Helmi, un gruppo di stelle scoperto nel 1999 che contava meno di venti componenti fino al rilascio dei dati. La differente metallicità tra diverse stelle di alone e quelle centrali, il moto stellare e la densità hanno portato a simulazioni in grado di mostrare la possibilità di una grande collisione della Via Lattea tra sei e dieci miliardi di anni fa, collisione con una massiva galassia nana contenente da uno a dieci miliardi di masse solari. La fusione potrebbe aver prodotto le differenze nelle popolazioni stellari che vediamo oggi nell'alone galattico (Azadeh Fattahi et al. The origin of galactic metal-rich stellar halo components with highly eccentric orbits, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). 

Da LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) è stato scoperto il Cetus Stram, anch'esso smembrato poco a poco dalla Via Lattea e dotato di una massa iniziale di 20 milioni di masse solari, divorate in un periodo di circa 5 miliardi di anni. Alcuni ipotizzano come l'ammasso globulare NGC 5824 potrebbe essere l'antico nucleo di questo stream (Jiang Chang et al. Is NGC 5824 the Core of the Progenitor of the Cetus Stream?, The Astrophysical Journal - 2020).

Non solo Gaia, comunque: undici nuovi stream stellari sono stati scoperti nei dati della Dark Energy Survey (DES) del Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) e vanno a incrementare il numero di stelle, oggi nella Via Lattea, provenienti da altre piccole galassie venute a trovarsi nei pressi della nostra. Si ritiene che molte di queste interazioni possano aver contribuito all'alone della Via Lattea.

La vita della Via Lattea potrebbe aver attraversato una fase di "morte" prima di tornare a essere come la vediamo oggi. Le popolazioni stellari della Galassia appartengono infatti a due distinte epoche e sono generate da due meccanismi diversi intervallati da un periodo dormiente molto lungo, fatto di nascita stellare nulla. Si tratta di uno scenario che in passato era stato già associato a galassie molto grandi ma che uno studio del 2018 ("The formation of solar-neighbourhood stars in two generations separated by 5 billion years" - Nature, 2018) associa anche alla nostra Galassia. Le stelle memorizzano l'ambiente nel quale sono nate e fortunatamente ci riportano la memoria sotto forma di elementi chimici e questo evidenzia i due gruppi distinti: il primo è ricco di elementi alfa come ossigeno, magnesio e silicio mentre il secondo è ricco di ferro. L'origine della dicotomia non è chiara ma una risposta può venire proprio dall'evoluzione galattica e da tutti gli scontri che si stanno ipotizzando. La Via Lattea sarebbe così nata tramite l'afflusso di gas freddo dall'esterno (cold flow accretion) con conseguente formazione stellare. Il gas si è arricchito di elementi alfa rilasciati dalle esplosioni di stelle molto massicce e questo ha generato la prima popolazione stellare galattica. Le onde d'urto e il riscaldamento del gas verificatisi sette miliardi di anni fa avrebbero poi generato un blocco al gas in entrata, reprimendo la formazione stellare.  Durante questa fase di blocco, la morte di altre stelle ha arricchito il gas presente con elementi più pesanti come il ferro. Cinque miliardi di anni fa il gas sarebbe stato di nuovo freddo al punto da innescare una nuova formazione stellare, dando vita alla seconda generazione di stelle alle quali appartiene il Sole. Lo stesso principio sarebbe applicabile anche alla dicotomia già nota in M 31, spesso ricondotta alla fusione di due galassie distinte. 

Ancora tracce di interezioni gravitazionali sono state rinvenute nella seconda metà del 2018 attraverso il moto di alcune stelle del disco, evidenziato dalla presenza di strutture a spirale presenti nei grafici forniti da coordinate spaziali e velocità stellari ottenute da Gaia. Le spirali del grafico (che nulla c'entrano con le spirali della morfologia galattica) derivano da perturbazioni avvenute in un tempo compreso tra 300 e 900 milioni di anni fa. Imputata principale è la galassia nana del Sagittario, sia per compatibilità di tempi con l'ultimo passaggio ravvicinato sia per massa ("A dynamically young and perturbed Milky Way disk" - Nature, 2018), anche se in realtà sembra che l'interazione con questa piccola galassia non sia ancora terminata, come starebbero a testimoniare alcuni ammassi globulari appartenenti proprio alla nana del Sagittario e che rispondono ai nomi di M54, Terzan 7, Arp2, Terzan 8, Palomar12, Whiting 1. Altri globulari sono candidati, come NGC 2419, NGC 5634 e NGC 4147. Proprio analizzando la chimica delle stelle presenti nei globulari è stato possibile disegnare le due code mareali della galassia nana (Astronomy & Astrophysics - “Globular Clusters in the Sagittarius stream. Revising members and candidates with Gaia DR2” -  Michele Bellazzini, Rodrigo Ibata, Khyati Malhan, Nicolas Martin, Benoit Famaey e Guillaume Thomas). Non si tratta delle uniche interazioni della Via Lattea con la nana del Sagittario, anzi: sembra proprio che le ondate di formazione stellare della nostra Galassia dipendano a doppio nodo dalle interazioni con questa galassia satellite e i dati, ancora di Gaia, riportano ai burst di formazione stellare risalenti a 100 milioni di anni fa, a 1 e 2 miliardi di anni fa, a 5-6 miliardi di anni fa nonché a 13 miliardi di anni fa (Nature Astronomy  - “The recurrent impact of the Sagittarius dwarf on the star formation history of the Milky Way” - Tomás Ruiz-Lara et al.).

Secondo simulazioni numeriche accuratissime sarebbero ancora un centinaio le galassie satellite della Via Lattea ancora da scoprire e questa sarebbe una buona notizia anche per la materia oscura "fredda", visto che soltanto particelle grandi e lente potrebbero dar vita a un numero così alto di galassie. Se queste non sono ancora state viste è perché vanno oltre i nostri limiti tecnologici attuali ( A. Drlica-Wagner et al. Milky Way Satellite Census. I. The Observational Selection Function for Milky Way Satellites in DES Y3 and Pan-STARRS DR1, The Astrophysical Journal - 2020).

A fronte di indizi che giocano a favore di una periferia galattica segnata dalle fusioni con galassie nane, tuttavia, uno studio del 2018 evidenzia come delle popolazioni stellari di alone siano in possesso di una composizione chimica del tutto simile a quella del disco galattico, a testimoniare una origine nel disco e una successiva migrazione legata a oscillazioni della Via Lattea causate, di nuovo, da passaggi di galassie satellite. Gli stream stavolta, però, sono di origine galattica quindi non si tratta di un mix con stelle extragalattiche ma di una redistribuzione di stelle galattiche (Nature, 2018 - Two chemically similar stellar overdensities on opposite sides of the plane of the Galactic disk). Le stelle di alone non appaiono distribuite randomicamente nell'alone stesso ma raggruppate in strutture giganti date da stream e nubi, alcune delle quali circondano l'intera Galassia. Queste strutture sono state sempre indicate come traccia di un passato tumultuoso, resti di distruzioni gravitazionali di galassie minori. Se questo vale in generale, non vale tuttavia per tutti i gruppi stellari visto che quattordici stelle sottoposte a analisi e appartenenti a due diverse strutture di alone (Triangulum-Andromeda e A13, vedi figura sotto), poste ai lati opposti rispetto al piano galattico (a distanze di 14 mila anni luce sopra e sotto il piano), hanno fornito risultati interessanti. Studi precedenti avevano trovato un legame cinematico tra questi due gruppi, legati al Monoceros Ring, un anello che gira intorno alla Galassia. La natura e l'origine di queste strutture non era però chiara. Lo spettro delle stelle, ottenuto tramite Keck e Very Large Telescope, ha consentito di far chiarezza su quanto mancava: la chimica delle stelle studiate è quasi identica a quelle del disco galattico ed è identica tra i due gruppi. Resta da chiarire come mai i due gruppi occupino, allora, zone opposte nell'alone ma in questo viene in aiuto la modellizzazione dell'evoluzione della Via Lattea, visto che si tratta di un processo di riposizionamento compatibile con il passaggio di galassie massicce.

Sono oltre cinquanta le galassie satelliti scoperte in orbita intorno alla Via Lattea e molte di queste sembrano essere state strappate proprio alla Grande Nube di Magellano, tra le quali la galassia della Carena e quella della Fornace: questo è quanto risulta di nuovo dai dati di Gaia, i quali hanno consentito di determinare velocità, posizione e direzione di diverse galassie nane, deboli o luminose che siano. Una osservazione che va a sugellare quello che ad oggi è il modello più resistente, che vede le galassie maggiori accrescersi ai danni di quelle minori. Al tempo stesso, la presenza di numerose galassie nane che un tempo erano satelliti della Grande Nube possono indurre a pensare come anche questa sia ricca di materia oscura : questo potrebbe voler dire che la fusione in atto della Via Lattea con la Grande Nube potrebbe essere la più grande della storia finora vissuta dalla nostra Galassia (Ethan D Jahn et al, "Dark and luminous satellites of LMC-mass galaxies in the FIRE simulations", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). 

La Via Lattea ha quindi un legame molto stretto con la Grande Nube di Magellano e a stringerlo ancora di più è uno studio di fine 2020 secondo il quale la galassia satellite deve essere passata a circa 50 kpc di distanza soltanto 700 milioni di anni fa. Come si può dedurre questo? L'alto contenuto di materia oscura di questa piccola galassia dovrebbe aver sconvolto la Via Lattea, con effetti ancora visibili anche nel movimento. La presenza della Grande Nube di Magellano tira e distorce il disco Galattico a 32 chilometri al secondo verso la costellazione di Pegaso, verso un punto cioè che non corrisponde alla posizione attuale della Grande Nube ma verso un punto dell'orbita passata. Questo dovrebbe essere legato al fatto che mentre la Grande Nube si trovava in quel punto era molto più vicina a noi, per poi allontanarsi a 370 chilometri al secondo (Nature Astronomy - “Detection of the Milky Way reflex motion due to the Large Magellanic Cloud infall” - Michael S. Petersen et al.). Ulteriori conferme giungono anche nel 2021, quando viene ottenuta dai dati di Gaia e di NeoWise la miglior mappa della regione più esterna della Via Lattea, tra i 200 mila e i 325 mila anni luce di distanza dal centro della Galassia. La Grande Nube di Magellano sta attraversando l'alone galattico lasciando una scia già teorizzata e ora addirittura osservata in dettaglio nella forma, nella dimensione e nella posizione. éProprio questa scia potrebbe offrire una ottima opportunità anche per determinare la quantità di materia oscura nell'alone galattico. Forma e posizione hanno consentito di verificare come la Grande Nube stia terminando il primo giro intorno alla nostra Galassia (Nature - “All-sky dynamical response of the Galactic halo to the Large Magellanic Cloud” - Charlie Conroy).

 

Tassi di afflusso e di deflusso di materiale 

L'evoluzione galattica, quindi, non si misura soltanto in base al movimento delle stelle ottenuto da Gaia ma anche dalla misurazione del gas in caduta dall'esterno e di quello inviato dalla Via Lattea stessa verso le zone del mezzo intergalattico . Proprio sulla stima di questi tassi, misurati in base alle Hygh-Velocity Clouds (HVC), lo stato dell'arte è rappresentato da uno studio pubblicato a Ottobre 2019 a cura del Milky Way Halo Research Group e di ESA. Secondo il modello elaborato, stelle più massive producono venti stellari tali da spedire materiale oltre il disco galattico. Materiale che ritorna, con il tempo, nel disco, fornendo ulteriore gas per formare nuove stelle (feedback). Anche il buco nero centrale ha un ruolo fondamentale per il movimento del gas. I dati di archivio di ESA e NASA riguardano anche 270 quasar distanti, la cui luce è stata rielaborata per ricreare un catalogo di nubi di gas in rapido movimento (HVC). Anche la fase dormiente della Via Lattea, prima accennata, risalente a 7 miliardi di anni fa e durata circa 2 miliardi di anni, è stata il risultato di onde d'urto tali da causare il riscaldamento delle nuvole interstellari, arrestando il flusso di gas freddo nella Via Lattea. Il successivo raffreddamento ha poi ricreato le condizioni per ripristinare l'afflusso e formare nuove stelle. Il saldo netto derivante dai dati è un eccesso di afflusso, buona notizia per la futura formazione stellare: 0.5 masse solari in entrata ogni anno contro 0.16 masse solari in uscita nello stesso periodo. Le nubi veloci, tuttavia, durano soltanto cento milioni di anni circa quindi i tassi che vediamo oggi non sono perenni, mentre nulla è stato tracciato all'interno delle Bolle di Fermi. Sembra avvalorato, quindi, il recente modello di "Accrescimento da flusso freddo": le galassie non evolvono con stabilità ma la loro storia è fatta di boom e di rilasci improvvisi, con nuovi equilibri che portano a nuove formazioni stellari. Lo stesso modello, peraltro, si può applicare anche ai sistemi planetari come il nostro e a pianeti come il nostro (Andrew J. Fox, et al. The Mass Inflow and Outflow Rates of the Milky Way).

Il futuro: Milkomeda

Dato il moto della Via Lattea all'interno del Gruppo Locale e soprattutto relativamente al moto della galassia di Andromeda, il destino più probabile per la nostra Galassia è dato da una fusione proprio con M 31 tra circa 4.5 miliardi di anni, con la stima temporale aumentata nel 2019 dopo le nuove misurazioni risultati dalla Data Release 2 di Gaia. L'evento, se davvero si verificherà, non darà luogo a scontri frontali tra stelle ma sarà caratterizzato da incontri ravvicinati gradualmente più vicini fino alla fusione dei nuclei. Il nome assegnato già da ora alla galassia nascente dalla fusione è Milkomeda, un mix tra Milky Way e Andromeda. 

Ultimo aggiornamento del: 16/01/2022 11:23:28