ABSTRACT

Gli ammassi globulari, tra i più antichi oggetti dell’universo, hanno recentemente svelato una complessità inattesa con la scoperta delle popolazioni stellari multiple, sfidando le idee tradizionali sulla loro composizione. L’avvento dei telescopi spaziali Hubble e James Webb ha dato infatti avvio ad uno studio con dettagli senza precedenti di tali strutture, mettendo in luce variazioni significative nelle abbondanze chimiche delle loro stelle. Queste ricerche stanno contribuendo fortemente alla ricostruzione dell’attuale comprensione del cosmo tramite l’esplorazione di nuove prospettive sulla sua storia evolutiva. Ne discute per Coelum l’esperto astrofisico Antonino Milone, soffermandosi sui principali scenari di formazione delle differenti popolazioni e sulle loro implicazioni cosmologiche in virtù dei risultati emersi per le galassie sia dell’universo locale sia ad alto redshift.

Stelle di due mondi: la genesi delle popolazioni stellari multiple

Gli ammassi globulari, tipicamente situati negli aloni delle galassie e orbitanti a diverse distanze dai rispettivi nuclei, sono tra gli oggetti più antichi ed enigmatici dell’universo. Si tratta di aggregati di  stelle caratterizzati da una grande estensione spaziale, con un diametro fino a 300 anni luce, e da una notevole concentrazione centrale. L’enorme densità stellare associata (che può arrivare a migliaia di stelle per unità di volume) rende generalmente impossibile l’identificazione delle singole stelle mediante l’uso di telescopi terrestri: solo i moderni telescopi spaziali come Hubble (HST) e James Webb (JWST) hanno permesso di esplorare tali regioni in grande dettaglio, ottenendo risultati a dir poco sorprendenti addirittura per le stelle di piccola massa meno luminose. Dalle prime osservazioni astronomiche di John Herschel ed Edwin Hubble nell’800 e nella prima metà del ‘900, molta strada è stata fatta nello studio degli ammassi globulari dell’universo locale. In particolare, l’idea tradizionale che essi fossero composti da stelle coeve e chimicamente omogenee, originatesi in un unico episodio di formazione stellare, è stata messa in crisi dalla scoperta delle cosiddette popolazioni stellari multiple.

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Le prime indicazioni di tale fenomeno risalgono agli anni ’70 e ’80 del secolo scorso, quando i dati spettroscopici e fotometrici relativi ad ammassi come ω Centauri (Fig. 1) segnalarono variazioni nelle abbondanze chimiche delle stelle membro, che presentavano differenti contenuti di elementi leggeri quali elio (He), azoto (N), ossigeno (O), carbonio (C), magnesio (Mg) e alluminio (Al). Tuttavia, ci si rese ben presto conto che, sebbene indispensabile per la determinazione dettagliata della composizione chimica stellare, la spettroscopia soffriva di alcune importanti limitazioni, tra cui l’applicazione a campioni, tra l’altro piuttosto esigui, di stelle ben risolte e brillanti. Per questa ragione, si vide necessario introdurre strumenti diagnostici ad hoc per l’analisi delle popolazioni stellari multiple, come la mappa cromosomica, che consente di misurare il contenuto di elementi leggeri di milioni di stelle, anche deboli, contemporaneamente.

Essa combina l’informazione sul colore di queste in diverse bande fotometriche per isolarne dei gruppi in base alla composizione chimica, sfruttando la sensibilità di ciascun filtro alle variazioni delle abbondanze di specifici elementi. Per esempio, i filtri nell’ultravioletto (UV) sono adatti alla rilevazione delle bande molecolari dell’azoto, caratteristiche delle stelle di sequenza principale, del ramo delle giganti rosse e del ramo orizzontale, mentre quelli nel vicino infrarosso (NIR) sono impiegati per la valutazione della quantità di ossigeno nel regime delle basse luminosità in cui si trovano le stelle nane di tipo M, giacenti nell’estremo inferiore della sequenza principale. La denominazione “mappa cromosomica” fu scelta in analogia con le mappe genetiche dei cromosomi, che visualizzano la posizione di geni e marcatori genetici lungo un cromosoma, evidenziando la complessità della loro distribuzione. Allo stesso modo, in astronomia una mappa cromosomica rappresenta la disposizione delle varie popolazioni stellari all’interno di un ammasso globulare, separandole con grande chiarezza e rivelandone la composizione chimica (Fig. 2). Grazie all’utilizzo della mappa cromosomica è stato possibile stabilire l’esistenza di almeno due diverse generazioni di stelle nella maggior parte degli ammassi globulari non solo nell’alone della Via Lattea, ma anche nelle galassie satelliti limitrofe, come le Nubi di Magellano.

Ne parla Antonino Milone (Fig. 3), astrofisico siciliano operante all’Università degli Studi di Padova, il cui lavoro di ricerca ha rivoluzionato la comprensione scientifica degli ammassi globulari: attraverso pionieristiche tecniche di riduzione dati e innovativi modelli teorici, egli ha infatti dimostrato che questi sistemi stellari sono molto più intricati di quanto ritenuto in passato, aprendo così una nuova finestra sulla loro formazione ed evoluzione. “Scopo primario dell’archeologia galattica”, spiega Milone, “è proprio inquadrare gli ammassi globulari dell’universo locale al momento della loro nascita circa 12-14 miliardi di anni fa, in epoca primordiale, investigando con accuratezza e precisione le proprietà chimico-fisiche delle stelle che contengono. Questo approccio è incredibilmente cruciale, data la loro peculiarità di essere le uniche strutture cosmiche ad ospitare stelle appartenenti a due distinte generazioni: le stelle della prima generazione (1G), più vecchie e con la medesima composizione chimica delle stelle di campo, e le stelle di seconda generazione (2G), più giovani e aventi composizione chimica anomala. Esse presentano, in effetti, abbondanze maggiori di elio, azoto e alluminio, e minori di carbonio, ossigeno e magnesio, e appaiono inoltre “aride”, ovvero estremamente povere di vapor d’acqua”. La motivazione che si cela dietro al netto divario tra le due generazioni è piuttosto semplice: le stelle 2G si sono formate in un mezzo interstellare inquinato dal materiale processato e rilasciato dalle 1G durante il loro ciclo vitale. Più approfonditamente, l’aumento di elio e azoto a scapito di carbonio e ossigeno è giustificato dall’azione del ciclo CNO, attraverso il quale le stelle di massa media convertono l’idrogeno in elio, mentre la diminuzione del magnesio a favore dell’alluminio è causata da una serie di reazioni chimiche ad alte temperature chiamata catena Mg-Al, anch’essa rintracciabile nelle stelle massicce, ma in fase evolutiva avanzata.

“Ricorrendo alla mappa cromosomica”, continua Milone, “possiamo notare che le stelle assumono una specifica posizione, dettata dalla loro composizione chimica. Se, da una parte, le 1G si distribuiscono in una regione circoscritta e di dimensioni ridotte, dall’altra le 2G ne ricoprono una più ampia, fatto che ci indica come il numero di stelle 1G sia solitamente molto minore rispetto a quello delle stelle 2G. Questa evidenza sperimentale ha notevoli implicazioni a livello cosmologico, perché legata al possibile meccanismo di insorgenza delle popolazioni stellari multiple”.

Nel contesto dello scenario di formazione noto come delle generazioni multiple, la scarsità di stelle 1G genera un eclatante paradosso, che va sotto il nome di “problema del budget di massa”: le stelle 1G risultano troppo poche per fornire il materiale necessario alla costruzione delle stelle 2G. L’ipotesi più accreditata per risolvere il problema consiste nel supporre che, al momento della loro nascita, le stelle 1G fossero più numerose di qualche decina di milione rispetto ad oggi, e che parte di esse sia andata persa nell’alone della galassia madre per evoluzione dinamica. La massa mancante sarebbe provenuta da tali stelle, ora non più membro dell’ammasso, e sarebbe stata di conseguenza impiegata per dare vita alla successiva generazione. Esse avrebbero poi contribuito, oltre all’arricchimento dell’alone galattico, alla produzione dei fotoni necessari alla reionizzazione dell’universo: una congettura che suggerisce, dal punto di vista cosmologico, che gli ammassi globulari rappresentino i blocchi costitutivi delle galassie. “Ciononostante”, sottolinea Milone, “lo scenario delle generazioni multiple desta ancora parecchi dubbi nella comunità astrofisica, la quale fatica a credere alla veridicità del problema del budget di massa, interpretandolo più come una falla concettuale che come un aspetto intrinseco”. A ciò si aggiunge il fatto, non trascurabile, che la teoria sembra non essere pienamente in grado di riprodurre alcune delle abbondanze chimiche misurate nelle attuali stelle 2G, poiché la natura delle progenitrici 1G che hanno abbandonato l’ammasso ospite non è nota. Svariati sono, invero, i tipi di stelle massicce che avrebbero potuto inquinare il mezzo interstellare (e.g., stelle di ramo asintotico, stelle rapidamente rotanti, sistemi binari stretti e interagenti), ciascuno responsabile del rilascio di una diversa quantità di elementi leggeri, la cui combinazione dovrebbe pertanto sfociare in un ben definito profilo chimico relativo alla nuova generazione.

Allo scenario delle generazioni multiple si contrappone quello di accrescimento di Gieles, secondo cui le stelle 1G e 2G apparterebbero in realtà ad un’unica generazione. L’assunto di base del nuovo paradigma è che al centro degli ammassi globulari primordiali esistessero stelle di massa estrema (masse solari) che avrebbero disperso nel mezzo interstellare materiale inquinato con composizione chimica sui generis tramite venti. Tale materiale sarebbe stato attratto gravitazionalmente dalle stelle di piccola massa nelle vicinanze mentre si trovavano ancora nella fase di pre-sequenza principale, motivo per cui esso non si sarebbe semplicemente depositato sulla loro superficie, ma ne sarebbe anzi diventato componente costitutiva fondamentale, contaminandone irreversibilmente la composizione chimica. In altre parole, il materiale accresciuto avrebbe avuto ruolo strutturale per le stelle con osservata composizione chimica anomala, quelle che nello scenario delle generazioni multiple erano classificate come 2G, e avrebbe comportato la loro marcata distinzione dal resto della popolazione d’ammasso. Nondimeno, l’accrescimento avrebbe dovuto obbedire alla legge di Bondi, avvenendo in modo direttamente proporzionale al quadrato della massa della stella ricevente: ciò significa che quanto più una stella ha massa iniziale elevata, tanto più efficacemente dovrebbe inglobare il materiale contaminato. Ergo, ci si aspetterebbe di constatare una considerevole variazione delle abbondanze chimiche soltanto nelle stelle più massicce e brillanti degli ammassi globulari. Contrariamente a questa predizione, però, i dati osservativi di JWST hanno mostrato che anche le stelle di piccola massa sono parimenti inquinate. Affinché lo scenario di Gieles funzioni perfettamente, bisognerebbe allora escludere che il meccanismo di accrescimento dipenda dalla massa della stella ed introdurre una teoria alternativa.
“Lo scenario proposto da Mark Gieles”, conclude Milone, “manca di una modellistica del tutto soddisfacente per descrivere le condizioni dinamiche che regolano il processo accrescitivo, ma ha il vantaggio di eliminare alla radice il problema del budget di massa.  Per di più, esso rende conto dell’esistenza di buchi neri di decine di masse solari, sorgenti di onde gravitazionali rilevabili, nei nuclei altamente densi degli ammassi globulari come esito dell’evoluzione delle super-stelle inquinanti. È, questa, l’unica connessione rilevante con la cosmologia per ora nota”.

L’assenza di modelli dinamici d’avanguardia inerenti allo scenario di Gieles si ripercuote, peraltro, anche sulla valutazione della distribuzione spaziale delle stelle. Difatti, benché entrambi gli scenari conducano a distribuzioni spaziali simili, che sarebbero accomunate dall’origine delle stelle chimicamente alterate nelle regioni centrali dell’ammasso ospite, solo nel caso di quello delle generazioni multiple si riesce a stimarne la modificazione nel tempo. Le stelle 2G si formerebbero dunque nel nucleo e si mescolerebbero progressivamente per interazione dinamica con quelle 1G, distribuite più esternamente, pur conservando una certa concentrazione centrale.

Ricapitolando, lo scenario delle generazioni multiple postula la compresenza di due diverse generazioni di stelle all’interno degli ammassi globulari e l’omogeneità nella composizione chimica di quelle appartenenti alla stessa generazione, mentre lo scenario dell’accrescimento di Gieles sostiene che vi sia un’unica popolazione stellare con composizione chimica eterogenea. L’uno è affetto dal problema del budget di massa, e l’altro invece da un marginale sviluppo simulativo di tipo dinamico. In merito alle implicazioni cosmologiche, infine, nel primo scenario si definiscono gli ammassi globulari come blocchi costitutivi delle galassie, i cui aloni sarebbero stati arricchiti dalle stelle da essi 1G perse, laddove nel secondo si riesce a giustificare la formazione dei buchi neri di alcune decine di masse solari, ai quali si tende ad imputare l’emissione di onde gravitazionali.
Per discernere quale tra i due scenari sia più probabile, gli astronomi hanno analizzato il fenomeno delle popolazioni stellari multiple in galassie dell’universo locale diverse dalla Via Lattea, come le Nubi di Magellano, senza però riscontrare sostanziali dipendenze dall’ambiente negli ammassi globulari esaminati. Per contro, se ci si spinge nell’universo lontano, si possono ricavare informazioni molto più esaustive sull’esordio dei meccanismi di generazione delle varie popolazioni. Uno dei risultati più interessanti in tal senso proviene dallo studio della galassia ad alto redshift GN-z11 (Fig. 4), le cui nubi di gas possiedono composizione chimica analoga a quella delle stelle 2G. Essendo l’attuale immagine di GN-z11 corrispondente in realtà ad una fotografia datata circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang, tale galassia offrirebbe pertanto un’opportunità unica per osservare la nascita delle stelle 2G nel momento stesso in cui stava avvenendo, anziché a processo ormai ultimato come accade nell’universo locale.

“Da questo esempio”, argomenta Milone, “è immediato dedurre che l’indagine sulle popolazioni stellari multiple negli ammassi globulari sta acquisendo un’importanza sempre maggiore nell’ambito della cosmologia, configurandosi come uno strumento potente per la ricerca non solo sull’origine, l’evoluzione e l’arricchimento chimico delle galassie, ma anche sulla nucleosintesi stellare e gli eventi dinamici che hanno plasmato la struttura dell’universo primordiale. Grazie alla congiunzione tra JWST e il futuro Extremely Large Telescope (ELT), che permetterà di osservare le galassie ad alto redshift con risoluzione elevata, potremo sicuramente ampliare la nostra conoscenza sugli scenari di formazione delle diverse popolazioni. L’implementazione di modelli simulativi più completi e avanzati costituirà, infine, un prezioso alleato per convalidare o confutare le teorie finora formulate a riguardo”.

Le popolazioni stellari multiple rappresentano, insomma, una materia di studio affascinante e in continuo divenire per la moderna scienza dello spazio, nonché un ponte fra l’astrofisica stellare e la cosmologia. La loro esplorazione potrebbe in futuro fornire una delle chiavi per ricostruire la storia del cosmo, aiutando a svelare parte dei misteri ancora celati dalle stelle.

Nato a Milazzo nel 1981, Antonino Milone si forma in ambito scientifico studiando prima a Barcellona e poi a Padova, dove consegue laurea e dottorato di ricerca in astronomia. Porta avanti il suo lavoro di ricercatore sulle popolazioni stellari multiple in diverse parti del mondo: alle Canarie (2010-2012), a Canberra (2013-2017) e infine a Padova (dal 2018). Crediti: Progetto GALFOR, Dipartimento di Fisica e Astronomia Galileo Galilei, Università degli Studi di Padova.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 270 VERSIONE CARTACEA