La prima analisi 3D sulla formazione ed evoluzione degli ammassi globulari

Il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO durante alcune osservazioni (crediti: ESO/S. Brunier)

Uno studio pubblicato oggi sulla rivista Astronomy & Astrophysics apre nuove prospettive sulla evoluzione dinamica delle popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari: agglomerati di stelle di forma sferica, molto compatti, formati da circa 100-1000 milioni di stelle.

Un gruppo di ricercatori guidati dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dall’Università di Bologna ha infatti condotto la prima analisi cinematica 3D di queste aggregazioni celesti su un campione rappresentativo di 16 ammassi globulari galattici, fornendo una descrizione empirica pioneristica delle proprietà cinematiche delle popolazioni multiple e della loro evoluzione dall’epoca di formazione fino allo stato presente.

Emanuele Dalessandro, primo autore dell’articolo e ricercatore presso l’INAF di Bologna, spiega: "I risultati di questa analisi forniscono la prima evidenza concreta che gli ammassi globulari si siano formati attraverso molteplici eventi di formazione stellare, ponendo vincoli fondamentali sul percorso dinamico seguito dagli ammassi nel corso della loro evoluzione".

Lo studio evidenzia inoltre le differenze cinetiche tra le prime e le seconde popolazioni stellari, aiutando a comprendere meglio i meccanismi di formazione e sviluppo di queste antiche strutture.

"Sappiamo ormai da circa due decadi che gli ammassi globulari sono composti da più di una popolazione di stelle: una primordiale, con proprietà chimiche simili a quella di altre stelle nella Galassia, e una con abbondanze chimiche anomale di elementi leggeri quali elio, ossigeno, sodio, azoto", dice Mario Cadelano, ricercatore al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e associato INAF, tra gli autori dello studio. "Nonostante il gran numero di osservazioni e modelli teorici finalizzati a caratterizzare le proprietà di queste popolazioni, i meccanismi che regolano la loro formazione non sono tutt’ora compresi e rappresentano una delle principali domande aperte nell’astrofisica stellare".

Con età che possono arrivare a 12-13 miliardi di anni (quindi fino all’alba del Cosmo), gli ammassi globulari sono tra i primi sistemi a essersi formati nell’Universo e rappresentano una popolazione tipica di tutte le galassie. Sono sistemi compatti (con masse di alcune centinaia di migliaia di masse solari e dimensioni di pochi parsec), ma osservabili anche in galassie lontane.

"La loro rilevanza astrofisica è enorme - afferma Dalessandro - perché non solo ci aiutano a testare i modelli cosmologici della formazione dell’Universo, ma ci offrono anche laboratori naturali per studiare la formazione, l’evoluzione e l’arricchimento chimico delle galassie".

Dalle analisi emerge che le stelle con differenti abbondanze di elementi leggeri sono caratterizzate da proprietà cinematiche differenti, come la velocità di rotazione e la distribuzione delle velocità.

"In questo lavoro abbiamo analizzato nel dettaglio come si muovono all’interno dell'ammasso migliaia di stelle", dice Cadelano. "È risultato subito chiaro che stelle appartenenti a diverse popolazioni sono caratterizzate da proprietà cinematiche differenti: stelle con composizione chimica anomala tendenzialmente ruotano intorno all'ammasso più velocemente delle altre e si diffondono progressivamente dalle regioni centrali verso quelle più esterne".

Il satellite Gaia dell’ESA che mappa le stelle della Via Lattea (crediti: ESA/ATG medialab; background: ESO/S. Brunier)

L’intensità di queste differenze cinematiche è direttamente proporzionale all’età dinamica degli ammassi globulari. Questi risultati sono compatibili con l’evoluzione dinamica a 'lungo termine' di ammassi globulari in cui le stelle con abbondanze chimiche anomale si formano più centralmente concentrate e più rapidamente rotanti di quelle standard.

"Ciò di conseguenza suggerisce che gli ammassi globulari si siano formati attraverso eventi multipli di formazione stellare, fornendo in questo modo un tassello importante nella definizione dei processi fisici alla base della formazione ed evoluzione di ammassi stellari massicci", sottolinea Dalessandro.

Lo studio si basa sulla combinazione di moti propri e velocità radiali ottenuti dal telescopio dell’ESA Gaia e sui dati ottenuti soprattutto con il telescopio VLT dell’ESO principalmente nell'ambito della survey MIKiS (Multi Instrument Kinematic Survey), una survey spettroscopica guidata dall’Università di Bologna e indirizzata all'esplorazione della cinematica interna degli ammassi globulari. L’utilizzo di questi telescopi, dallo spazio e a terra, ha garantito una visione 3D senza precedenti della distribuzione di velocità delle stelle in questi ammassi globulari selezionati.

"Questo è uno dei risultati di maggior rilievo ottenuti grazie alla survey MIKiS (Multi Instrument kinematic Survey), che attraverso una serie di Large Programmes guidati dall'Università di Bologna ha ottenuto oltre 300 ore di osservazione al Very Large Telescope dell'ESO proprio per esplorare la cinematica interna di un campione di ammassi globulari della nostra Galassia", conclude Francesco Ferraro, professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e PI della survey spettroscopica MIKiS.

Nonostante gli ammassi stellari siano stati studiati per oltre un secolo, risultati osservativi recenti dimostrano che la conoscenza di questi sistemi è ancora incompleta. Negli ultimi due decenni, la comprensione dei meccanismi fisici che regolano la formazione degli ammassi globulari è stata messa in discussione dalla scoperta delle popolazioni multiple, sottopopolazioni caratterizzate da differenti abbondanze di numerosi elementi leggeri (come elio, sodio, ossigeno e azoto). La grande domanda resta: esiste un solo meccanismo di formazione per tutti gli ammassi?

"Dallo studio emerge che le stelle con abbondanze chimiche anomale si sono formate in un sottosistema più centralmente concentrato e con una rotazione più rapida rispetto alle altre stelle dell’ammasso. I risultati confermando le previsioni sulle differenze iniziali nelle proprietà dinamiche delle popolazioni multiple", suggerisce Dalessandro.

Questa nuova visione 3D dei movimenti stellari fornisce un quadro inedito e affascinante sull’evoluzione dinamica degli ammassi globulari, contribuendo a chiarire alcuni dei misteri più complessi riguardanti l'origine di queste antichissime strutture.