La Via Lattea, la nostra Galassia.
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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.

La Via Lattea. Crediti Valeriano Antonini
La Via Lattea. Crediti Valeriano Antonini

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). 

Il moto della Galassia è studiato dalla cinematica stellare. Ruota su sé stessa ad una velocità radiale di circa 220 km/s e per un giro completo impiega qualcosa come 2,4x108 anni. Anche questa, come per le altre galassie, è una rotazione differenziale: le stelle più interne ruotano più velocemente di quelle esterne, le quali ultime dovrebbero avere comportamenti in linea con la Legge di Newton anche se è proprio dal comportamento delle stelle più esterne delle galassie che ha avuto inizio la teoria basata sulla materia oscura . Attraverso il Very Large Binocular Array (VLBA) e il meccanismo della parallasse annua è stato possibile misurare la distanza di una regione stellare (G007.47+00.05) posta nel lato opposto della Via Lattea, oltre il buco nero centrale (Ottobre 2017, Science). La misura è stata calcolata in 66 mila anni luce, quasi il doppio rispetto al record precedente e ha consentito anche di ottenere una stima migliore della massa della galassia, derivata dalla velocità di rotazione della stessa, anch'essa rivista al rialzo. La Via Lattea ruota quindi più velocemente di quanti stimato il che può essere ricondotto alla materia oscura nell'alone galattico.  Per quanto riguarda la massa, ad oggi la misura più precisa è dovuta alla combinazione dei dati di Gaia e Hubble ed è pari a 1.5 trilioni di masse solari (articolo sullo studio - 2019) anche se i numeri si inseguono e ulteriori metodi di stima hanno portato a ipotizzare 890 miliardi di masse solari appena a fine 2019 per un diametro di 256 mila anni luce. Per giungere alla stima sono state prese in considerazioni serie di dati originate da più fonti, stimando la massa di tutti gli oggetti visibili (e della materia oscura) a partire dal movimento dei corpi celesti stessi e giungendo a una complessa curva di rotazione (A robust estimate of the Milky Way mass from rotation curve data, arXiv). 

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.

Le strutture che decidono il moto della Galassia: Concentrazione di Shapley da una parte e dipolo dall'altra. Crediti University of Jerusalem
Le strutture che decidono il moto della Galassia: Concentrazione di Shapley da una parte e dipolo dall'altra. Crediti University of Jerusalem

Il campo magnetico

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). 

Le regioni osservate per la misura del campo magnetico.
Le regioni osservate per la misura del campo magnetico.

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 fieldMonthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). 

Rappresentazione della galassia in base al campo magnetico. Il piano galattico corre in orizzontale al centro. I colori rossi mostrano incrementi del campo magnetico dove la direzione punta verso la Terra. In blu gli incrementi dove la direzione del campo punta distante dalla Terra. Il background è il segnale ottenuto tramite sorgenti extragalattiche. I punti mostrano le misurazioni delle pulsar mentre i rettangoli le misurazioni di LOFAR. Crediti Freshscience
Rappresentazione della galassia in base al campo magnetico. Il piano galattico corre in orizzontale al centro. I colori rossi mostrano incrementi del campo magnetico dove la direzione punta verso la Terra. In blu gli incrementi dove la direzione del campo punta distante dalla Terra. Il background è il segnale ottenuto tramite sorgenti extragalattiche. I punti mostrano le misurazioni delle pulsar mentre i rettangoli le misurazioni di LOFAR. Crediti Freshscience

Le pulsar vengono molto utilizzate per lo studio del campo magnetico galattico e proprio grazie alle pulsar dell'alone galattico, poste all'interno dell'ammasso globulare 47 Tucanae, è stato possibile verificare come il campo magnetico galattico risulti - in direzione dell'ammasso - particolarmente intenso e apparentemente perpendicolare al disco della Glassia, il che potrebbe trovare spiegazione nell'interazione con il vento galattico (Nature Astronomy - “Constraints on the magnetic field in the Galactic halo from globular cluster pulsars - Federico Abbate et al.). L'osservazione, ottenuta tramite il radiotelescopio australiano Parkes, evidenzia ancora una volta quanto il campo magnetico galattico sia ancora poco conosciuto sulla scala ridotta.

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). 

Ultimo aggiornamento del: 07/04/2020 13:20:30

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.

Apparenza della Via Lattea, vista di taglio e frontalmente
Apparenza della Via Lattea, vista di taglio e frontalmente

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.

Estensione della galassia dovuta a ondulazioni esterne. Crediti SDSS/School of Science/Osservatorio Nazionale Cinese
Estensione della galassia dovuta a ondulazioni esterne.
Crediti SDSS/School of Science/Oss.Naz.Cinese

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.

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La struttura della Via Lattea per come viene pensata oggi. La longitudine galattica è centrata sul Sole.

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. 

Onda di Radcliffe

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 NeighborhoodNature (in press). Publishes online 7 January). 

Rappresentazione dell'onda di Radcliffe, una delle strutture galattiche maggiori. Credit: Alyssa Goodman / Harvard University
Rappresentazione dell'onda di Radcliffe, una delle strutture galattiche maggiori. Credit: Alyssa Goodman / Harvard University

Alone galattico

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.

Rappresentazione dell'alone galattico
Rappresentazione dell'alone galattico

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. 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.

Animazione della Via Lattea e delle componenti del gas caldo che la circonda. I punti in nero sono azoto, in arancio-giallo sono neon, in azzurro sono ossigeno e in rosso ferro. Crediti ESA
Animazione della Via Lattea e delle componenti del gas caldo che la circonda.
I punti in nero sono azoto, in arancio-giallo sono neon, in azzurro sono ossigeno.
In rosso ferro. Crediti ESA

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.

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 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.

Secondo i dati di Gaia, il disco è peraltro deformato dal passaggio di una onda di dimensioni gigantesche (effetto di warping) che ruota intorno al centro galattico a una velocità di 10 chilometri al secondo, pari a un terzo della velocità di rotazione delle stelle appartenenti al disco stesso. L'esistenza dell'onda potrebbe risalire a una interazione con un'altra galassia vicina, interazione recente o addirittura ancora in corso (Nature Astronomy - “Evidence of a dynamically evolving Galactic warp” - E. Poggio et al.).

Evoluzione del disco della Galassia. Crediti E.Poggio et al. 2020
Evoluzione del disco della Galassia.
Crediti E.Poggio et al. 2020

Come tante altre galassie, anche la Via Lattea è dotata di un disco spesso e di un disco sottile: il primo contiene il 20% circa delle stelle totali ed è il più antico, ma la sua età è sempre stata un mistero. Attraverso lo studio tridimensionale delle stelle che lo compongono e l'astrosismologia ottenuta dai dati di Kepler, fondamentale per lo studio dell'interno stellare, è stato possibile fissare al meglio l'età del disco spesso, giungendo a un valore di 10 milliardi di anni (Sanjib Sharma et al. The K2-HERMES Survey: age and metallicity of the thick discMonthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). Non solo: le stelle del disco spesso apparterrebbero a due distinte popolazioni stellari, con una nuova componente molto povera di metalli (abbondanze due volte inferiori rispetto alla media) tanto da essere battezzata Metal Weak Thick Disk (MWTD) in contrapposizione alla popolazione già nota e chiamata semplicemente Thick Disk (TD). La differenza - oltre che nella composizione - si rinviene anche nella velocità di rotazione intorno al centro galattico, pari a circa 150 km/s a fronte dei 180 del disco "classico". I dati provengono dal satellite Gaia e da un campione di 40 mila stelle ottenuto dalla Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Le due parti del disco spesso, quindi, dovrebbero aver avuto una formazione diversa, con il disco povero di metalli più antico rispetto a quello già noto (The Astrophysical Journal  - “Evidence for the Third Stellar Population in the Milky Way’s Disk“ - Daniela Carollo).

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.

Il 2019 ha portato all'ipotesi per la quale l'enorme massa del disco interno possa aver indotto una distorsione dell'intera Via Lattea, che risulterebbe quindi in fase di arrotolamento su sé stessa. L'idea è stata elaborata in base ai dati della Data Release 2 (DR2) di Gaia, in grado di misurare posizione e movimento di miliardi di stelle con una grande precisione. 

La probabile forma della Via Lattea
La probabile forma della Via Lattea

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 27 mila 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. 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*. 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 . 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 ALMAThe Astrophysical Journal - 2020). 

Il centro della Galassia è pregno di energia ma non è semplice bucare la spessa coltre di nubi per andare a studiare le zone più interne: una gran quantità di idrogeno ionizzato, come quella osservata, richiede una continua fonte di energia poiché in caso contrario gli elettroni liberi andrebbero a ricombinarsi con i nuclei positivi ricreando elementi neutri. Il mistero aleggia proprio sulle fonti di questa energia continua ma per cercare di risolverlo occorre dapprima stabilire quanto idrogeno ionizzato sia presente. Tra i dati di WHAM, relativi a un ventennio di osservazioni, è emersa una zona di idrogeno ionizzato passata attraverso un solco scavato nelle nubi di polvere il che ha consentito una osservazione diretta di una zona altrimenti inaccessibile. La posizione di questo pertugio è nota agli scienziati come "tilted disk" (disco inclinato), qualcosa che finora era stato possibile osservare in luce ottica solo in galassie remote e non nella nostra. L'evento ha consentito quindi di confrontare il nucleo galattico con quello delle galassie maggiormente studiate ottenendo un quadro tridimensionale della struttura: il 48% almeno dell'idrogeno gassoso del disco inclinato Galattico è stato ionizzato da una fonte sconosciuta, con variazioni legate alla distanza dal centro. Vicino al nucleo il gas viene ionizzato da stelle di nuova formazione mentre allontanandosi dal centro il gas diventa più simile a quanto osservato nelle galassie a con regioni a bassa ionizzazione nucleare (galassie LINER), galassie che mediamente presentano una radiazione superiore a quella proveniente dalla pura formazione stellare e inferiore a quella proveniente da un buco nero attivo. Fino alla scoperta, la galassie LINER più vicina era M31 mentre ora è possibile avere una visione anche della nostra. Resta da capire il processo in grado di assicurare energia costante (D. Krishnarao el al., "Discovery of diffuse optical emission lines from the inner Galaxy: Evidence for LI(N)ER-like gas," Science Advances - 2020).

Immagine ottica della Galassia con evidenza della radiazione dal disco inclinato. Credit: Axel Mellinger
Immagine ottica della Galassia con evidenza della radiazione dal disco inclinato. Credit: Axel Mellinger

 

Il flash della Via Lattea sullo stream. Crediti ESA/NASA
Il flash della Via Lattea sullo stream. Crediti ESA/NASA

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 JetsThe Astrophysical Journal - 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"): lo stream, infatti, 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.

 

I coni generati dall'attività del buco nero. Crediti Bland-Hawthorne et al.
I coni generati dall'attività del buco nero. Crediti Bland-Hawthorne et al.

 

Immagine radio della zona centrale della Via Lattea. Il piano galattico si offre con una serie di strutture brillanti, stelle esplose e regioni di formazione stellare e corre orizzontalmente nell'immagine. Il buco nero al centro è nascosto dalla zona più brillante dell'immagine. Le bolle radio di MeerKAT si estendono verticalmente sopra e sotto il piano galattico. Crediti SARAO/Oxford
Immagine radio della zona centrale della Via Lattea. Il piano galattico si offre con una serie di strutture brillanti, stelle esplose e regioni di formazione stellare e corre orizzontalmente nell'immagine. Il buco nero al centro è nascosto dalla zona più brillante dell'immagine. Le bolle radio di MeerKAT si estendono verticalmente sopra e sotto il piano galattico. Crediti SARAO/Oxford

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. 

Ma perché oggi il buco nero galattico appare così tranquillo e perché la formazione stellare nei suoi dintorni è così ridotta nonostante la grande disponibilità di materiale grezzo? Per rispondere è stata sempre chiamata in causa la gravità della zona, senz'altro sottoposta a condizioni estreme, ma le osservazioni dell'osservatorio SOFIA hanno evidenziato anche il ruolo del campo magnetico, finalmente mappato in dettaglio fino a scoprirne un ruolo molto simile a quello giocato sulla Terra nella protezione dal vento solare e sul Sole a interazione con la corona solare. Il campo magnetico intorno al buco nero si è rivelato tanto forte da controllare il materiale presente nei dintorni di SgrA* nonostante l'estrema gravità. 

Il campo magnetico intorno a SgrA*. Crediti SOFIA/NASA/ESA
Il campo magnetico intorno a SgrA*. Crediti SOFIA/NASA/ESA
Il centro galattico dal Widefield di Murchison, con le frequenze minori in rosso, quelle medie in verde e quelle maggiori in blu. I filamenti dorati indicano forti campi magnetici con resti di supernova visibili come piccole bolle. Crediti Dott. Natasha Hurley-Walker (ICRAR/Curtin) e Team GLEAM
Il centro galattico dal Widefield di Murchison, con le frequenze minori in rosso, quelle medie in verde e quelle maggiori in blu. I filamenti dorati indicano forti campi magnetici con resti di supernova visibili come piccole bolle. Crediti Dott. Natasha Hurley-Walker (ICRAR/Curtin) e Team GLEAM

Relativamente al campo magnetico, è stato anche studiato il ruolo nell'effetto di arresto magnetico giocato sui flussi in entrata al buco nero, una osservazione molto complessa poiché si estende su sette ordini di grandezza: l'orizzonde degli eventi raggiunge i 4-8 milioni di miglia dal centro mentre le stelle più vicine orbitano a circa 20 trilioni di miglia e tener traccia della materia su questa scala è molto impegnativo anche per questione di tempi visto che gli eventi minori si manifestano su scale di secondi mentre quelli maggiori su scale di migliaia di anni. La piccola scala è quindi coperta essenzialmente dalle teorie mentre le simulazioni si occupano della scala maggiore e possono essere corroborate dalle osservazioni. Uno spunto è venuto da 30 stelle di tipo Wolf-Rayet, stelle che durano solo 100 mila anni e che perdono materia in misura maggiore rispetto a quella che, nello stesso tempo, cade nel buco nero. Le orbite di queste stelle, simulate per mille anni, hanno coperto le simulazioni a medio raggio su scale temporali più brevi. Le simulazioni sono poi arrivate alle attività che si svolgono in pochi secondi, a ridosso dell'orizzonte degli eventi, sfumando i risultati tra le due simulazioni per creare continuità. Il tutto ha evidenziato la possibilità di un arresto magnetico, un fenomeno che in genere si accompagna a emissione di getti ad alta energie e che per la prima volta viene dedotto in un buco nero pacifico come SgrA*. Finora manca il parametro della rotazione, difficile da misurare per SgrA* e per la quale si spera molto nei dati dell'Event Horizon Telescope (Sean M. Ressler et al. Ab Initio Horizon-scale Simulations of Magnetically Arrested Accretion in Sagittarius A* Fed by Stellar WindsThe Astrophysical Journal - 2020).

La vista riportata nell'immagine evidenzia il centro galattico a onde radio ottenuto dal Pawsey Supercomputing Centre di Perth e unisce ampio campo a finissimi dettagli, tanto da scoprire ventisette nuovi resti di supernova. Alcuni di questi sono legati a stelle posizionate in zone apparentemente prive di stelle ('New candidate radio supernova remnants detected in the GLEAM survey over 345° < l < 60°, 180° < l < 240°', published in Publications of the Astronomical Society of Australia (PASA) on November 20th, 2019)

I nuovi 27 resti di supernova in immagini radio. Crediti Natasha Hurley-Walker (ICRAR/Curtin)/GLEAM Team
I nuovi 27 resti di supernova in immagini radio. Crediti Natasha Hurley-Walker (ICRAR/Curtin)/GLEAM Team

A emettere onde radio dal centro della Galassia concorrono filamenti di gas ionizzato come quello visibile nell'immagine sotto riportata, lungo 190 anni luce e ripreso alla lunghezza dei 2 millimetri dal Goddard-IRAM Superconducting 2-Millimeter Observer (GISMO) insieme al radiotelescopio da 30 metri a Pico Veleta in Spagna. La lunghezza scelta consente una zona di transizione tra infrarosso e onde radio con un dominio proveniente da diversi tipi di emissione. La struttura principale è nota come Radio Arc e delinea il perimetro di una ampia bolla prodotta da eventi energetici del nucleo galattico, posta all'interno della brillante regione di SgrA*. Altri filamenti minori sono mostrati come archi di colore rosso. L'emissione è prodotta da radiazione di sincrotrone mentre un'altra struttura, chiamata Sickle, è associata alla formazione stellare e potrebbe essere proprio la sorgente di questi elettroni ad alta velocità. Relativamente all'immagine, i diversi colori indicano differenti processi di emissione: blu e ciano rivelano nubi molecolari fredde con relativa formazione stellare; il giallo rivela la presenza di gas ionizzato e una emissione proveniente da elettroni rallentati - ma non catturati - da ioni di gas (free-free emission); rosso e arancione mostrano le emissioni di sincrotrone (Richard G. Arendt et al. 2 mm GISMO Observations of the Galactic Center. I. Dust Emission, The Astrophysical Journal - 2019).

La zona centrale della Via Lattea, 750 anni luce di ampiezza, ripresa da GISMO. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center
La zona centrale della Via Lattea, 750 anni luce di ampiezza, ripresa da GISMO. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center

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). 

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). 

Lo stato di quiete 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").

Sequenza di quattro immagini del flare di SgrA*, durato 2 ore. Crediti Do et al.
Sequenza di quattro immagini del flare di SgrA*, durato 2 ore. Crediti Do et al.

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.

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.

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). 

Rappresentazione della precessione del periastro di S2 intorno al buco nero galattico. Crediti: Eso/L. Calçada
Rappresentazione della precessione del periastro di S2 intorno al buco nero galattico. Crediti: Eso/L. Calçada

 

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.

Ultimo aggiornamento del: 06/07/2020 10:17:45

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 WayMonthly 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 vicinityNature Astronomy - 2020).

Il disco galattico e lo stream di stelle che deriva dalla fusione con The Sausage. Crediti GAIA/ESA
Il disco galattico e lo stream di stelle che deriva dalla fusione con
The Sausage. Crediti GAIA/ESA

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).

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).

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.

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). 

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.).

Le interazioni tra Via Lattea e nana del Sagittario: a ogni interazione corrisponde un evento di intensa formazione stellare. Crediti ESA
Le interazioni tra Via Lattea e nana del Sagittario: a ogni interazione corrisponde un evento di intensa formazione stellare. Crediti ESA

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 DR1The 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.

La posizione dei due stream stellari del tutto simili per composizione chimica. Crediti Nature, Maria Bergemann et al.
La posizione dei due stream stellari del tutto simili per composizione chimica.
Crediti Nature, Maria Bergemann et al.

Altro stream particolarmente studiato è quello Pesci-Eridano, posto a 420 anni luce nel disco galattico e dalla forma cilindrica con almeno 1400 stelle identificate in un'alrea di circa 2300 anni luce. Risulta particolarmente vicino e a portata di analisi e così se ne è studiata anche la chimica tramite il Tull Echelle Spectrograph da 2.7 metri al McDonald Observatory, ottenendo una metallicità del tutto simile a quella solare, centrata su -0.03 [Fe/H] con variabilità di 0.07, e una età di circa 120 milioni di anni, quindi molto giovane (The Chemical Nature of the Young 120-Myr-old Nearby Pisces-Eridanus Stellar Stream Flowing through the Galactic Disk). 

Sembra un accanimento delle galassie nane nei nostri confronti ma in realtà galassie grandi come la nostra sono in possesso di un gran numero di galassie nane in orbita, il che rende molto più facile andare incontro a fenomeni di interazioni galattiche e di fusioni. Basti pensare che in un sol colpo la survey DES (Dark Energy Survey) ha rivelato la presenza di ben nove galassie nane nei pressi delle Grandi Nubi di Magellano, quindi in una zona di cielo molto limitata ("Beasts of the Southern Wild. Discovery of a large number of Ultra Faint satellites in the vicinity of the Magellanic Clouds" - arXiv, 2015).

Ovviamente la fonte principale di approvvigionamento di materiale extragalattico sembra rappresentato dalle Nubi di Magellano: era il 2014 quando per la prima volta fu osservato in via diretta il flusso di gas e stelle emesso dalle Nubi e diretto verso la Galassia. Le stelle sono giovani e sono quindi di recente formazione, riconducibile alla collisione tra i gas delle piccole galassie e il gas della nostra. La Corrente Magellanica (Magellanic Stream) venne scoperta già negli anni Settanta del secolo scorso tramite radioastronomia e a questo flusso di gas si aggiunse il Braccio Principale posto alla fine della Corrente stessa. La novità del 2014 risiede, quindi, nella detection di stelle già formate all'interno di questo flusso, precisamente nel Braccio Principale. Proprio sulla scia dello studio del moto della Grande Nube di Magellano è stato calcolato come questa galassia minore dovrebbe entrare in collisione con la Via Lattea entro un tempo di due miliardi di anni, quidi ben prima della collisione con M31 (leggi poco più sotto), e di come entrambe le Nubi, risentendo della forza mareale della Via Lattea, abbiano iniziato da relativamente poco a formare stelle a tassi sempre maggiori. L'analisi dei bordi galattici, come visto, fornisce informazioni molto importanti sulla storia galattica e l'analisi spettrale evidenzia come molte delle stelle siano di origine extra-galattica e, tra queste, molte provengano dalle Nubi di Magellano, prossimi "pasti" della Via Lattea. La Galassia ha quindi già iniziato a divorare i propri satelliti più noti, tanto che è stato rinvenuto un ammasso di stelle (battezzato Price-Whelan 1 Star Cluster) totalmente composto da astri sottratti alle Nubi. L'ammasso è disposto nei pressi del Magellanic Stream e ha una età di appena 117 milioni di anni (Adrian M. Price-Whelan et al, Discovery of a Disrupting Open Cluster Far into the Milky Way Halo: A Recent Star Formation Event in the Leading Arm of the Magellanic Stream?The Astrophysical Journal - 2019). 

Nuovi ammassi stellari alla periferia galattica, strappati dalle Nubi di Magellano. Crediti D. Nidever; NASA
Nuovi ammassi stellari alla periferia galattica, strappati dalle Nubi di Magellano. Crediti D. Nidever; NASA

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).

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).

Evidenza del riciclo di gas sopra e sotto il disco stellare. Crediti NASA/ESA
Evidenza del riciclo di gas sopra e sotto il disco stellare. Crediti NASA/ESA

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: 08/07/2020 13:29:58