Utilizzando i dati della missione Gaia dell’ESA gli astronomi hanno visto che una parte della Via Lattea si è formata solo 0,8 miliardi di anni dopo il Big Bang.

Questo sorprendente risultato deriva da un’analisi eseguita da Maosheng Xiang e Hans-Walter Rix, del Max-Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germania. Hanno preso i dati sulla luminosità e sulla posizione dal set di dati Early Data Release 3 (EDR3) di Gaia e li hanno combinati con le misurazioni della composizione chimica delle stelle, come fornito dai dati del telescopio spettroscopico LAMOST, di circa 250.000 stelle per ricavare la loro età.

Le stelle scelte come campione sono state le subgiganti. In queste stelle, l’energia ha smesso di essere generata nel nucleo della stella e si è spostata in un guscio attorno al nucleo, e la stella stessa si sta trasformando in una gigante rossa. Poiché la fase subgigante è una fase evolutiva relativamente breve nella vita di una stella, consente di determinarne l’età con grande precisione, ma è comunque un calcolo complesso.

Via Lattea
Rappresentazione artistica della nostra galassia, la Via Lattea, con le sue componenti.
Credit: A sinistra: NASA/JPL-Caltech; a destra: ESA; layout: ESA/ATG medialab

Come si calcola l’età di una stella?

L’età di una stella è uno dei parametri più difficili da determinare. Non può essere misurato direttamente, ma deve essere dedotto confrontando le caratteristiche di una stella con modelli computerizzati dell’evoluzione stellare. In questo processo vengono in aiutano i dati sulla composizione poichè l’Universo è nato con quasi esclusivamente idrogeno ed elio.

Gli altri elementi chimici, conosciuti collettivamente come metalli dagli astronomi, sono prodotti all’interno delle stelle ed esplosi nello spazio alla fine della vita di una stella, dove possono essere incorporati nella prossima generazione di stelle. Quindi, le stelle più vecchie hanno meno metalli e si dice che abbiano una metallicità inferiore che può essere indicata dal LAMOST.

Insieme, la luminosità e la metallicità consentono agli astronomi di estrarre l’età della stella dai modelli del computer. Prima di Gaia, gli astronomi lavoravano regolarmente con incertezze del 20-40 percento, il che poteva far sì che le età determinate avessero imprecisione fino anche a un miliardo di anni o più.

Ma il rilascio dei dati EDR3 di Gaia ha cambiato tutto.

Con i dati sulla luminosità raccolti da Gaia siamo ora in grado di determinare l’età di una stella subgigante fino a una piccola percentuale, e grazie a questo sono state avviate le nuove indagini.

Stelle e Via Lattea
La luminosità totale e il colore delle stelle osservate dal satellite Gaia dell’ESA e rilasciate come parte dell’Early Data Release 3 di Gaia (Gaia EDR3). Credit: ESA/Gaia/DPAC

L’anatomia della Via Lattea

La nostra galassia è composta di diverse parti. In generale, questi possono essere divisi nell’alone e nel disco. L’alone è la regione sferica che circonda il disco ed è stato tradizionalmente ritenuto il componente più antico della galassia. Il disco è composto da due parti: il disco sottile e il disco spesso. Il disco sottile contiene la maggior parte delle stelle che vediamo come la nebbiosa fascia di luce nel cielo notturno che chiamiamo Via Lattea. Il disco spesso è più del doppio dell’altezza del disco sottile ma ha un raggio più piccolo, e contiene solo una piccola percentuale delle stelle della Via Lattea nelle vicinanze del Sole.

Identificando le stelle subgiganti in queste diverse regioni, i ricercatori sono stati in grado di costruire una linea temporale della formazione della Via Lattea, ed è allora che hanno trovato una sorpresa.

Due fasi nella storia della Via Lattea

L’età stellare ha rivelato chiaramente che la formazione della Via Lattea è caduta in due fasi distinte. Nella prima fase, iniziata appena 0,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, il disco spesso iniziò a formare stelle. Anche le parti interne dell’alone potrebbero aver iniziato a riunirsi in questa fase, ma il processo è accelerato rapidamente fino al completamento circa due miliardi di anni dopo, quando una galassia nana nota come Gaia-Sausage-Enceladus si è fusa con la Via Lattea.

Questa ha riempito l’alone di stelle e, come svelato dalla nuova ricerca, ha innescato il nascente disco spesso per formare la maggior parte delle sue stelle. Il disco sottile di stelle che contiene il Sole si è formato durante la successiva seconda fase della formazione della galassia.

L’analisi mostra anche che dopo l’esplosione di formazioni stellari innescata dalla fusione con Gaia-Sausage-Encelado, il disco spesso ha continuato a formare stelle fino a quando il gas non si è esaurito a circa 6 miliardi di anni dopo il Big Bang. Durante questo periodo, la metallicità del disco spesso è cresciuta di oltre un fattore 10. Ma notevolmente, i ricercatori vedono una relazione molto stretta età stellare-metallicità, che indica che durante quel periodo, il gas che formava le stelle era ben miscelato su tutto il disco. Ciò implica che le prime regioni del disco della Via Lattea devono essere state formate da gas altamente turbolento che diffondeva efficacemente i metalli in lungo e in largo.

Una cronologia precisa grazie a Gaia

La precedente età di formazione del disco spesso indica un’immagine diversa della storia antica della nostra galassia. Dalla scoperta dell’antica fusione con Gaia-Sausage-Enceladus, nel 2018, gli astronomi hanno sospettato che la Via Lattea fosse già lì prima che si formasse l’alone, ma non avevano un quadro chiaro di come fosse quella Via Lattea. I nuovi risultati forniscono dettagli molto interessanti su quella parte della Via Lattea, come il suo compleanno, il suo tasso di formazione stellare e la storia dell’arricchimento dei metalli.

Mettere insieme queste scoperte usando i dati di Gaia sta rivoluzionando la nostra immagine di quando e come si è formata la nostra galassia.

E potremmo non guardare ancora abbastanza lontano nell’Universo per vedere la formazione di dischi galattici simili. Un’età di 13 miliardi di anni corrisponde a un redshift di 7, dove redshift è una misura di quanto è lontano un oggetto celeste, e quindi quanto tempo ha impiegato la sua luce per attraversare lo spazio e raggiungerci.

Nuove osservazioni potrebbero arrivare nel prossimo futuro poiché il James Webb Space Telescope è stato ottimizzato per vedere le prime galassie, simili alla Via Lattea, nell’Universo. E il 13 giugno di quest’anno, Gaia rilascerà la sua terza versione completa di dati (Gaia DR3).

Questo catalogo includerà spettri e informazioni derivate come età e metallicità, rendendo gli studi, come quello appena pubblicato, ancora più facili da condurre e con dettagli senza precedenti.

Riferimenti: ESA

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