Come le galassie sferoidali nane (dSph, dwarf Spheroidal), satelliti della Via Lattea possono aiutarci nella comprensione dei meccanismi evolutivi delle Galassie.

Fornax dSph per la Fornax (o Near-Field Cosmology)

Nel modello cosmologico standard, noto come Λ-CDM (la lettera Λ Lambda, indica la costante riferita al contributo della Energia Oscura, mentre CDM sta per Cold Dark Matter, Materia Oscura Fredda), le galassie si formano per accrescimento e fusione di proto-frammenti, in un processo iniziato poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, e che osserviamo ancora oggi, sotto i nostri occhi. Certo, si può discutere se il modello Λ-CDM sia “vero” ma, allo stato attuale delle nostre conoscenze, è certamente quello che mette d’accordo più osservabili possibili, nei contesti astrofisici più diversi e in maniera sufficientemente coerente. Le predizioni della Λ-CDM, in realtà erano già state in qualche modo anticipate da un lavoro pioneristico del 1978, a cura di Leonard Searle & Robert Zinn, in maniera del tutto indipendente rispetto al modello Λ-CDM, al tempo non ancora nato. Nella ricerca i due astronomi, dalla attenta analisi degli spettri di 177 stelle giganti appartenenti a 19 ammassi globulari Galattici, dedussero che l’alone della Via Lattea non poteva essersi formato in un unico episodio, ma era piuttosto il risultato dell’accrescimento successivo di vari frammenti proto-galattici.

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Uno dei modi per verificare le predizioni della Λ-CDM, è quindi quello di osservare la nostra stessa Galassia, la Via Lattea. La consapevolezza che la nostra Galassia è solo una delle tante dell’Universo, che la sua posizione ed il suo ruolo non hanno nulla di speciale nell’Universo, e la sua distanza con le altre galassie sono acquisizioni che hanno appena un centinaio di anni. Eppure molta strada è stata fatta, riconoscendo alla nostra galassia una struttura a spirale, disposta lungo un disco del diametro di circa 100mila anni luce, avvolta in un alone esteso centinaia di migliaia di anni luce e con un Bulge centrale, a cui negli ultimi anni è stata aggiunta una barra. Quindi, la nostra è una galassia a spirale barrata.
Negli ultimi anni siamo andati decisamente oltre: grazie all’uso sistematico della survey a grande campo (come SDSS e DELVE), unite alla squisita precisione astrometrica dei dati del satellite Gaia e alle necessarie conferme spettroscopiche, è stato possibile identificare un numero elevatissimo di sistemi satelliti della Via Lattea. Molte di queste sono strutture ultra-deboli, talmente tenui da essere costituite anche da poche decine di stelle, e ciò nonostante degne del rango di galassia a causa del loro arricchimento chimico e della loro cinematica interna, che ha bisogno di invocare la Materia Oscura per poter essere spiegata senza dover cambiare le leggi della Fisica. Ancora più sorprendentemente, è stato possibile identificare episodi di merging, in cui osserviamo strutture di taglia galattica in corso di fusione, ora, con la Via Lattea. Il primo importante esempio è stata la scoperta della galassia nana Sagittarius, con il suo spettacolare anello di stelle che circonda la Via Lattea. Ma, soprattutto grazie ai dati di Gaia, è stato possibile identificare strutture più nascoste, residui di fenomeni di accrescimento più antichi, come la struttura denominata Gaia-Enceladus-Sausage, e le strutture Thamnos e Sequoia.
L’insieme di queste osservazioni, assieme alla necessaria caratterizzazione chimica proveniente dalla indagine spettroscopica, costituisce materia per la cosiddetta Near-Field Cosmology (o Astroarcheology), che è quel ramo della cosmologia osservativa che studia e cerca i segni della formazione primordiale delle galassie, usando le popolazioni stellare antiche della nostra Galassia, come veri e propri reperti archeologici.

In tale contesto, da anni hanno assunto fondamentale rilevanza le galassie sferoidali nane (dSph, dwarf Spheroidal), satelliti della Via Lattea. Queste galassie sono ritenute da lungo tempo i “mattoncini” primordiali che hanno contribuito alla formazione dell’alone della Via Lattea (e, per estensione, delle galassie). Ad esempio, il loro numero per lungo tempo è stato oggetto di un problema cosmologico importante, il cosiddetto “problema delle satelliti mancanti”: in pratica, i modelli cosmologici prevedevano un numero di satelliti della Via Lattea dell’ordine delle centinaia, mentre fino al 2006 non se ne conoscevano neanche dieci. Le grandi survey hanno poi mitigato il problema, scoprendo decine di satelliti debolissime, fino a classificare le cosiddette “ultra-deboli” (UFD, Ultra FaintDwarfs). Problema che attualmente si ritiene superato, grazie alle nuove simulazioni cosmologiche, a più alta risoluzione, che hanno indicato un numero atteso di satelliti più basso. Anche la loro distribuzione intorno alla Via Lattea è di interesse cosmologico: ad esempio, si è visto che una buona percentuale di satelliti della Via Lattea si distribuisce lungo un gigantesco anello che avvolge l’intera Via Lattea, perpendicolarmente al suo piano. Questa struttura è stata battezzata Vast Polar Structure (VPOS). Studi intorno a galassie vicine alla nostra, tipo Andromeda e Centaurus A, sembrano confermare l’esistenza di strutture simili, che pertanto non sarebbero uno scherzo del caso, quanto piuttosto la conseguenza di meccanismi di formazione/accrescimento delle galassie, non ancora del tutto compresi.

Si capisce quindi che lo studio delle dSph e delle UFD satelliti della Via Lattea è di importanza essenziale, prima di tutto per capire se, e in che misura, i sistemi che osserviamo oggi possono essere identificati con i mattoncini primordiali.

Su questa linea, di grandissimo interesse è la galassia sferoidale nana nella costellazione della Fornace, detta Fornax dSph (figura 1, fonte archivio ESA/Hubble). Dopo la sua scoperta su lastre fotografiche da Shapley nel 1938, è stata oggetto di moltissimi studi fotometrici e spettroscopici, che hanno rivelato aspetti interessanti e, come vedremo, sorprendenti proprietà. Pur essendo un sistema satellite della Via Lattea, è decisamente una galassia massiva, la cui massa stellare è stimata intorno ai 20 milioni di masse solari, al punto da possedere un suo proprio sistema di ammassi globulari (ben sei). Lo studio fotometrico del suo contenuto stellare ha rivelato una complessa storia di formazione stellare, con episodi di formazione avvenuti fra i 13 miliardi e i 200 milioni di anni fa, separati da periodi di quiescenza. Ciò è abbastanza inusuale per le dSph, di solito caratterizzate da popolazioni stellari antiche, e nessuna attività recente di formazione stellare.
Recentemente, il nostro gruppo ha analizzato osservazioni di Fornax dSph, ottenute attraverso il telescopio VST nell’ambito della surveyKiDS (Kilo-DegreeSurvey), un programma di ricerca in realtà focalizzato allo studio delle galassie ad alto-redshift, ma la cui “finestra di osservazione” ha intersecato la parte nord di Fornax dSph. I dati erano di qualità eccellente, e ci hanno consentito di operare un’analisi delle sue popolazioni stellari, utilizzando per la prima volta la banda fotometrica u, che copre una regione dello spettro nel vicino ultra-violetto. Questa banda è particolarmente adatta per studiare le sorgenti calde, che osservate in essa risultano più brillanti che nelle altre. Proprio l’uso della banda u, con nostra enorme sorpresa, ha evidenziato uno sparuto gruppo di stelline, che nel diagramma colore-magnitudine1 (figura 2) sono compatibili con una popolazione stellare giovanissima, addirittura di 100 milioni di anni. Abbiamo quindi pensato di vederci più chiaro, ed abbiamo chiesto ed ottenuto nuove osservazioni di Fornax dSph con il VST, per coprire la parte esclusa dalla finestra di KiDS.
I dati sono in riduzione, e numerose domande attendono risposta: prima di tutto, confermiamo l’esistenza di queste stelle giovani? Se si, come sono distribuite? Sono concentrate in una piccola regione, segno che c’era del gas residuo in Fornax dSph che solo recentemente ha formato stelle? O sono piuttosto diffuse lungo tutta Fornax dSph? E in questo caso, quale è stato il meccanismo della loro formazione? Un’ipotesi intrigante, è che Fornax dSph, abbia intercettato una nube molecolare lungo la sua orbita intorno alla Via Lattea, inducendone il collasso gravitazionale e la formazione di stelle. E ancora, le stelle che vediamo sono tutte e sole quelle formate? O c’è una “scia” di stelle giovani, che Fornax dSph si è lasciata indietro?
Come sempre, ogni nuova scoperta apre più domande di quelle a cui ha appena risposto. Ed è questa, forse, la bellezza della Scienza.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 271 VERSIONE CARTACEA