Ecco come gli alieni vedrebbero la nostra galassia

 

I ricercatori hanno ricostruito ciò che gli astronomi alieni, osservando la nostra Via Lattea da lontano, troverebbero se analizzassero la composizione chimica della nostra galassia.

 

I ricercatori hanno ricostruito ciò che gli astronomi alieni, osservando la nostra Via Lattea da lontano, troverebbero se analizzassero la composizione chimica della nostra galassia.

Lo studio, condotto da ricercatori del Max Planck Institute for Astronomy, è rilevante per la nostra comprensione del cosmo: consente un nuovo tipo di confronto tra la nostra galassia e le molte galassie lontane che osserviamo dall’esterno.

I risultati forniscono parte della risposta alla vecchia domanda se la nostra galassia sia speciale: almeno quando si tratta di composizione chimica, la Via Lattea è insolita, ma non unica.

Con i telescopi a nostra disposizione possiamo osservare centinaia di migliaia di galassie distanti anche miliardi di anni luce: le osservazioni del telescopio ci mostrano la forma di una galassia e il suo spettro (la decomposizione della luce di una galassia).

Tra tutte le galassie del cosmo, solo di una non possiamo osservarne l’aspetto completo dall’esterno: la nostra.

Come apparirebbe quindi la nostra galassia a un lontano astronomo alieno? Gli astronomi qui sulla Terra hanno escogitato modi piuttosto ingegnosi per dedurre le proprietà di una galassia da ciò che osserviamo, e gli astronomi alieni avranno probabilmente una visione altrettanto sofisticata della Via Lattea.

Jianhui Lian (Max Planck Institute for Astronomy and Yunnan University) dice: “trovare modi per confrontare la nostra galassia con galassie più distanti è ciò di cui abbiamo bisogno se vogliamo sapere se la Via Lattea è speciale o meno. Questa è stata una domanda aperta da quando gli astronomi si sono resi conto cento anni fa che la Via Lattea non è l’unica galassia nell’universo”.

Grandi passi avanti per dati e simulazioni

Negli ultimi dieci anni circa, ci sono stati enormi progressi negli studi sistematici della nostra galassia. Ci sono state indagini, come APOGEE, che hanno fornito informazioni sulla composizione chimica, le proprietà fisiche e i movimenti 3D di milioni di singole stelle nella nostra Via Lattea dedotte dai loro spettri.

La sonda Gaia dell’ESA ha monitorato la luminosità, il movimento e la distanza di quasi 1,5 miliardi di stelle nella nostra galassia. Ci sono anche molti più dati e molto migliori per le galassie lontane.

L’indagine MaNGA ha studiato quasi 10.000 galassie in profondità. Mentre le indagini precedenti miravano a fornire solo uno spettro complessivo per galassia, MaNGA dipinge un “quadro spettrale”, mostrando come, ad esempio, la composizione chimica di ogni galassia varia dal centro alle regioni esterne.

Ultimo ma non meno importante, ora ci sono moderne simulazioni di formazione ed evoluzione delle galassie, come la simulazione TNG50 che segue la storia di migliaia di galassie in un universo modello da dopo il Big Bang ai giorni nostri.

Tutti questi sviluppi erano necessari per noi per prevedere cosa avrebbero visto gli astronomi alieni mentre puntavano i loro telescopi verso la Via Lattea e tentavano di ricostruire la composizione chimica della galassia.

Questo è proprio ciò che ha fatto un nuovo studio condotto da Lian e Maria Bergemann (Max Planck Institute for Astronomy).

In particolare, Lian, Bergemann e i loro colleghi hanno considerato la composizione chimica delle stelle. Le stelle che vediamo intorno a noi sono costituite principalmente da idrogeno ed elio, ma c’è un’infarinatura di elementi più pesanti, elementi che, in astronomia (ma non nella chimica ordinaria!), sono chiamati “metalli”.

Alcuni di questi metalli sono prodotti all’interno delle stelle e lanciati nello spazio quando le stelle massicce esplodono alla fine della loro vita.

Altri sono prodotti negli strati esterni di stelle giganti gonfie e da lì destinati a spostarsi nello spazio. E, soprattutto, c’è una tendenza generale: la concentrazione di metalli nel mezzo interstellare – la miscela a bassa densità di gas e polvere che riempie lo spazio tra le stelle – aumenta nel tempo.

Le stelle nate prima contengono meno metalli, le stelle nate più tardi ne contengono di più. La mappatura di quali regioni di una galassia ha stelle con meno o con più metalli ti dice quale regione ha formato le sue stelle prima e quale regione dopo.

Dalla cosmologia locale a una prospettiva aliena

La nostra galassia, la Via Lattea, è attualmente l’unica galassia a spirale in cui possiamo fare direttamente un’indagine su larga scala delle singole stelle – misurare le loro posizioni all’interno e, attraverso i loro spettri, il loro contenuto di metalli, la temperatura superficiale e altre proprietà fisiche.

Lian, Bergemann e i loro colleghi hanno deciso di ricostruire ciò che gli astronomi alieni vedrebbero se dovessero mappare la prevalenza dei metalli nella Via Lattea.

Dal momento che la nostra galassia è una galassia a disco, la domanda chiave è: come potrebbe un astronomo alieno distante vedere l’abbondanza di metalli variare a seconda della distanza di una regione dal centro della nostra galassia?

Questo tipo di ricostruzione richiede lavoro. I dati del sondaggio APOGEE sono stati solo il punto di partenza.

Successivamente, i ricercatori hanno dovuto tenere conto del fatto che, dalla Terra, abbiamo una visione “macchiata” della Via Lattea: in alcune direzioni, ci sarà più polvere tra noi e stelle più lontane, attenuando la luce stellare e nascondendo del tutto alcune delle stelle più deboli.

In altre direzioni ci sarà meno polvere. I ricercatori avevano bisogno di combinare i dati di osservazione con ciò che sappiamo sulla polvere e sulle proprietà delle stelle per ricostruire la reale distribuzione delle stelle nella nostra galassia.

La “cintura” ad alta metallicità della nostra galassia

I risultati sono stati alquanto sorprendenti. Se si traccia il contenuto medio di metalli delle stelle dal centro della galassia verso l’esterno, aumenterà, raggiungendo un contenuto di metallo vicino a quello del nostro Sole ad una distanza di circa 23 000 anni luce dal centro.

(Per confronto: il nostro Sole si trova a circa 26.000 anni luce dal centro galattico.) A una distanza ancora maggiore, il contenuto medio di metallo scende di nuovo, scendendo a circa un terzo del valore solare a circa 50.000 anni luce dal centro.

Per capire cosa stava succedendo, i ricercatori hanno poi esaminato separatamente stelle di diverse fasce d’età: gli spettri APOGEE consentono almeno una stima approssimativa dell’età stellare.

Osservando separatamente le stelle più giovani e quelle più vecchie, hanno scoperto che ogni gruppo di età seguiva fondamentalmente una tendenza ininterrotta con un contenuto di metallo più elevato più vicino al centro, un contenuto inferiore più lontano.

L’aumento e il massimo della distribuzione complessiva è dovuto esclusivamente al fatto che le stelle più vecchie (con un contenuto di metalli molto più basso) sono più abbondanti vicino al centro galattico e quindi abbassano la media complessiva, ma con le stelle più giovani che diventano più frequenti più lontano.

Confrontando la nostra Via Lattea con altre galassie

Lian, Bergemann e i loro colleghi hanno confrontato questo interessante risultato con le proprietà di altre galassie. Da un lato, hanno considerato 321 galassie nella survey MaNGA, che hanno tutte masse simili alla Via Lattea, producono quantità simili di stelle e tutte sono visibili di fronte, in modo da poter misurare il cambiamento della metallicità media.

I ricercatori hanno utilizzato gli stessi criteri per identificare 134 galassie simili alla Via Lattea nell’universo modello della simulazione TNG50.

Quindi, quanto è speciale la nostra galassia? La risposta fornita dal presente studio: quando si tratta della distribuzione delle abbondanze metalliche, la nostra Via Lattea è insolita, ma non unica.

Solo l’11% delle galassie nel campione TNG50 e circa l’1% delle galassie nel campione MaNGA hanno mostrato un simile up-and-down della metallicità media.

La discrepanza tra l’11% e l’1% è probabilmente dovuta a una combinazione di incertezze nei dati MaNGA e alla limitazione delle simulazioni realistiche nell’universo modello TNG50.

Inoltre, nelle regioni esterne, la diminuzione della metallicità media con l’aumentare della distanza dal centro è piuttosto più ripida per la Via Lattea, rispetto alle galassie MaNGA e TNG50.

La domanda sul “perché”

Allora perché la Via Lattea ha le proprietà insolite che ha, e cosa significano queste proprietà per la storia della formazione della nostra galassia?

Ci sono diversi modi per spiegare la scarsità comparativa di stelle ricche di metalli vicino al centro galattico.

Questa caratteristica potrebbe essere correlata alla formazione del cosiddetto bulge, una regione approssimativamente sferica di stelle più vecchie che circonda il centro galattico a una distanza di circa 5000 anni luce.

La formazione del rigonfiamento avrebbe utilizzato la maggior parte dell’idrogeno gassoso disponibile, rendendo la successiva formazione stellare molto più difficile. In alternativa, la scarsità potrebbe essere correlata a una fase attiva in cui il buco nero supermassiccio centrale della nostra galassia ha vomitato particelle e radiazioni dalle sue immediate vicinanze, inibendo la formazione stellare.

La metallicità nelle regioni esterne può essere spiegata da diversi scenari che combinano l’evoluzione del gas all’interno della nostra galassia con la storia della formazione stellare attraverso il disco galattico.

Il forte declino potrebbe essere il segno di un episodio insolito nella storia della nostra galassia: che “inghiottisce” una galassia più piccola con gas che conteneva pochissimi metalli.

Quel gas sarebbe poi servito come materia prima per la formazione di stelle con meno metalli nel disco. È anche possibile che la nostra stima per l’estensione del disco stellare della Via Lattea sia sbagliata, e che questo errore distorce il confronto con altre galassie quando si tratta di quanto sia ripida la diminuzione.

Immagine: Stefan Payne-Wardenaar