Identificato l’antico cuore della Via Lattea

Un gruppo di astronomi è riuscito a identificare una popolazione di antiche stelle nel centro della nostra galassia. Per questa impresa di “archeologia galattica”, i ricercatori hanno analizzato i dati della missione Gaia, utilizzando una rete neurale.

 

 

La nostra galassia, la Via Lattea, si è gradualmente formata nel corso di quasi tutta la storia dell’Universo, che si estende su 13 miliardi di anni. Negli ultimi decenni, gli astronomi sono riusciti a ricostruire diverse epoche della storia galattica nello stesso modo in cui gli archeologi ricostruirebbero la storia di una città: alcuni edifici hanno date esplicite di costruzione.

Per altri, l’uso di materiali da costruzione più primitivi o stili di costruzione più vecchi implica che altri siano più antichi, così come quando i resti si trovano sotto altre strutture (e quindi più nuove).

Ultimo ma non meno importante, i modelli spaziali sono importanti: per molte città, ci sarà un centro storico circondato da quartieri che sono chiaramente più recenti.

Per le galassie, e in particolare per la nostra galassia, l’archeologia cosmica procede lungo linee molto simili. I mattoni fondamentali di una galassia sono le sue stelle.

Per un piccolo sottoinsieme di stelle, gli astronomi possono dedurne con precisione l’età. Ad esempio, per le cosiddette subgiganti, una breve fase dell’evoluzione stellare in cui la luminosità e la temperatura di una stella possono essere utilizzate per risalire all’età.

Più in generale, per quasi tutte le stelle, esiste uno “stile di costruzione” che consente di capire da quanti anni esiste: la cosiddetta metallicità di una stella, definita come la quantità di elementi chimici più pesanti dell’elio che l’atmosfera dell’asrto contiene.

Tali elementi, che gli astronomi chiamano “metalli”, sono prodotti all’interno delle stelle attraverso la fusione nucleare e rilasciati  alla fine della loro vita, alcuni quando l’atmosfera di una stella di piccola massa si disperde, altri quando una stella di grande massa esplode come una supernova.

In questo modo, ogni generazione di stelle “semina” il gas interstellare da cui si forma la prossima generazione di astri e, in generale, ogni generazione avrà una metallicità superiore rispetto ala precedente.

Per quanto riguarda le strutture su larga scala, proprio come in una città, la distribuzione spaziale è importante. Ma dato che una galassia è meno statica di una città – gli edifici di solito non si muovono, mentre le stelle lo fanno – i modelli di movimento codificano anche informazioni importanti.

Le stelle della Via Lattea possono essere confinate alle regioni centrali, o possono fare parte di un movimento rotatorio ordinato nel disco esterno.

Oppure, potrebbero far parte del caotico guazzabuglio di orbite dell’esteso alone di stelle della nostra galassia, comprese quelle molto eccentriche, che si tuffano ripetutamente attraverso le regioni interne ed esterne.

Dove le città potrebbero subire boom edilizi o periodi di intenso rimodellamento, la storia delle galassie è modellata da fusioni e collisioni, così come dalle grandi quantità di idrogeno gassoso fresco che fluisce nelle galassie nel corso di miliardi di anni; la materia prima per una galassia per creare nuove stelle.

La storia di una galassia inizia con proto-galassie più piccole: regioni dense poco dopo il Big Bang, dove le nubi di gas collassano per formare stelle.

Come tali, le proto-galassie si scontrano e si fondono, formando galassie più grandi. Ricostruire questo tipo di storia significa combinare osservazioni con simulazioni sempre più sofisticate.

L’archeologia galattica, definita come lo studio della storia della nostra galassia, non solo ci permette di ricostruire parti della nostra storia più ampia, ma anche di imparare qualcosa sull’evoluzione delle galassie in generale (“cosmologia locale”).

Questo particolare episodio di archeologia galattica è iniziato con una ricostruzione pubblicata nella primavera del 2022: i ricercatori dell’MPIA Maosheng Xiang e Hans-Walter Rix avevano utilizzato i dati del satellite Gaia dell’ESA e della survey LAMOST per determinare l’età delle stelle in un campione senza precedenti di 250.000 cosiddette subgiganti.

Da questa analisi, gli astronomi erano stati in grado di ricostruire le conseguenze dell’eccitante adolescenza della Via Lattea 11 miliardi di anni fa e della sua successiva età adulta più stabile (o noiosa).

L’adolescenza ha coinciso con l’ultima fusione significativa di un’altra galassia, chiamata Gaia Encelado, i cui resti sono stati trovati nel 2018. Ha innescato una fase di intensa formazione stellare e ha portato a un disco relativamente spesso di stelle che possiamo vedere oggi.

L’età adulta consiste in un moderato afflusso di idrogeno gassoso, che si stabiliva nel disco sottile esteso della nostra galassia, con la lenta, ma continua formazione di nuove stelle nel corso di miliardi di anni.

Ciò che gli astronomi notarono allora era che le stelle più vecchie del loro campione adolescente avevano già una notevole metallicità, circa il 10% in più rispetto alla metallicità del nostro Sole.

Chiaramente, prima che quelle stelle si formassero, dovevano esserci state anche generazioni precedenti di stelle che avevano fornito il mezzo interstellare si metalli.

In effetti, l’esistenza di quelle generazioni precedenti era in linea con le previsioni delle simulazioni della storia cosmica. E inoltre, quelle simulazioni prevedevano dove i rappresentanti sopravvissuti di quelle generazioni precedenti potevano essere trovati.

In particolare, in queste simulazioni, la formazione iniziale di quella che in seguito divenne la nostra Via Lattea, coinvolse tre o quattro proto-galassie che erano nate in stretta vicinanza e poi si erano fuse tra loro.

Le loro stelle si stabilirono come un nucleo relativamente compatto, non più di qualche migliaio di anni luce di diametro.

Aggiunte successive di galassie più piccole avrebbero portato alla creazione delle varie strutture del disco e dell’alone. Ma secondo le simulazioni, ci si potrebbe aspettare che parte di quel nucleo iniziale sopravviva relativamente indenne a questi sviluppi successivi.

Dovrebbe essere possibile trovare stelle dal nucleo compatto iniziale, l’antico cuore della Via Lattea, dentro e vicino alle regioni centrali della nostra galassia anche oggi, miliardi di anni dopo.

Oltre a quelle rare stelle in cui possiamo determinare età specifiche, c’è l’indicatore molto più generale della metallicità stellare – i “diversi stili di costruzione” che consentono di ordinare le stelle in più vecchie e più giovani. Fortunatamente, nel giugno 2022 è arrivato il Data Release 3 (DR3) della missione Gaia dell’ESA.

Dal 2014, Gaia ha misurato parametri di posizione e movimento altamente accurati, comprese le distanze, per oltre un miliardo di stelle, rivoluzionando (tra gli altri sottocampi) l’astronomia galattica. DR3 è stato il primo rilascio di dati a includere alcuni degli spettri reali che Gaia aveva osservato: spettri per 220 milioni di oggetti astronomici.

Gli spettri danno informazioni sulla composizione chimica dell’atmosfera di una stella, compresa la metallicità. Questo è ciò che Hans-Walter Rix e René Andrae, un ricercatore Gaia presso MPIA, hanno affrontato in un progetto con il loro studente estivo in visita Vedant Chandra dell’Università di Harvard.

Poiché sapevano che la loro analisi doveva raggiungere le regioni centrali della Via Lattea, i tre astronomi hanno esaminato in particolare le stelle giganti rosse nel campione di Gaia.

Le tipiche giganti rosse sono circa cento volte più luminose delle subgiganti e facilmente osservabili anche nelle lontane regioni centrali della nostra galassia.

Queste stelle hanno anche l’ulteriore vantaggio che le caratteristiche spettrali che codificano la loro metallicità sono relativamente evidenti, rendendole particolarmente adatte per il tipo di analisi che gli astronomi stavano pianificando.

Per l’analisi stessa, gli astronomi si sono rivolti a metodi di apprendimento automatico. La proprietà chiave dell’apprendimento automatico è che le strategie di soluzione non sono programmate in modo esplicito. Invece, al centro dell’algoritmo c’è una cosiddetta rete neurale, con somiglianze superficiali con il modo in cui i neuroni sono disposti nel cervello umano.

Quella rete neurale viene quindi addestrata: date combinazioni di compiti e le loro soluzioni, e le connessioni tra input e output regolate in modo che, almeno per il set di addestramento, la rete produca l’output corretto dato un input specifico.

In questo caso specifico, la rete neurale è stata addestrata utilizzando spettri Gaia selezionati come input. La struttura interna della rete si è adattata in modo che, almeno per il set di addestramento, potesse riprodurre le metallicità corrette.

Una volta ottenuti i risultati, i ricercatori hanno avuto accesso a un campione di metallicità accurate di dimensioni senza precedenti, costituito da 2 milioni di giganti luminosi nella galassia interna.

Con quel campione, si è rivelato relativamente facile identificare il cuore antico della Via Lattea – una popolazione di stelle che Rix ha soprannominato il “povero vecchio cuore”, data la loro bassa metallicità, la vecchiaia e la posizione centrale.

Su una mappa del cielo, queste stelle sembrano essere concentrate attorno al centro galattico. Le osservazioni di Gaia consentono una ricostruzione 3D che mostra quelle stelle confinate all’interno di una regione relativamente piccola intorno al centro, circa 30.000 anni luce di diametro.

Le stelle in questione completano perfettamente il precedente studio di Xiang e Rix sull’adolescenza della Via Lattea: questo rende il cuore antico della Via Lattea più vecchio di circa 12,5 miliardi di anni.

Se le cose andranno eccezionalmente bene, successivi dati aggiuntivi potrebbero anche consentire ai ricercatori di identificare quali stelle nella regione centrale appartengono a quale delle galassie progenitrici della Via Lattea.

 

Crediti immagine: H.-W. Rix / MPIA