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Troppe stelle massicce nelle galassie di tipo “starburst”

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Una rappresentazione artistica di una "galassia polverosa" nell'Universo remoto che sta formando stelle a un tasso molto superiore della Via Lattea. ALMA ha permesso di sollevare il velo di polvere e vedere cose precedentemente inaccessibili - ad esempio un eccesso di stelle massicce rispetto a galassie più tranquille. Crediti: ESO/M. Kornmesser

Un gruppo di scienziati, con a capo l’astronomo Zhi-Yu Zhang dell’Università di Edinburgo, ha usato il telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) per studiare l’Universo remoto, e in particolare stimare la proporzione di stelle massicce in quattro galassie di tipo “starburst” lontane e ricche di gas.

Le galassie che formano stelle a tassi veramente elevati vengono chiamate "starburst" dagli astronomi. Possono formare stelle a un tasso più di mille volte superiore a quello della Via Lattea. Qui sopra una rappresentazione artistica di una starburst spogliata dalle polveri, così come ce la mostrerebbe ALMA. Crediti: ESO/M. Kornmesser

Si tratta di galassie che stanno vivendo una fase di formazione stellare molto intensa, con un tasso che può essere 100 volte maggiore, se non di più, di quello nella nostra galassia, la Via Lattea. Le stelle massice in queste galassie producono radiazioni ionizzanti, venti stellari e esplosioni di supernova che influenzano drammaticamente l’evoluzione dinamica e chimica del mezzo che le circonda. Studiare la distribuzione di massa delle stelle in queste galassie è importante per conoscere meglio la loro evoluzione e l’evoluzione dell’Universo in generale.

Questo tipo di galassie vanno studiate in un universo molto più giovane di adesso, in modo che galassie neonate, che abbiano già subito molti episodi di formazione stellare, non confondano i risultati.

Zhang e il suo gruppo hanno sviluppato una nuova tecnica – analoga alla datazione al radiocarbonio (nota anche come metodo del Carbonio-14) – per misurare l’abbondanza di diversi tipi di monossido di carbonio in quattro galassie “starburst” molto distanti e avvolte dalla polvere. Analogamente al metodo di datazione al radiocarbonio, infatti, che viene usato per determinare l’età di un oggetto che contiene materiale organico, nello studio di ALMA sono state misurate le abbondanze degli isotopi 13C e 18O, che essendo stabili e prodotti dalle reazioni di fusione termonucleare all’interno delle stelle, hanno abbondanze che continuano ad aumentare durante la vita di una galassia.

«Gli isotopi di carbonio e di ossigeno hanno origini diverse», spiega Zhang. «18O è prodotto soprattutto nelle stelle massicce, mentre 13C viene prodotto soprattutto nelle stelle piccole o intermedie». Grazie alla nuova tecnica, l’equipe ha potuto scrutare attraverso la polvere di queste galassie e per la prima volta stabilire la massa delle stelle.

Qui invece vediamo le immagini reali di quattro galassie starburst distanti osservate con ALMA. L'immagine in alto mostra per ogni galassia l'emissione di 13CO, mentre quella in basso l'emissione C18O. Il rapporto tra questi due isotopologhi ha permesso ad alcuni astronomi di determinare che queste galassie "starburst" hanno un eccesso di stelle massicce. Crediti: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Zhang et al.

La massa di una stella è il fattore principale che ne determina l’evoluzione. Le stelle massicce brillano intensamente e vivono vite brevi, mentre quelle meno massicce, come il Sole, hanno una luminosità più modesta, ma durano miliardi di anni. Conoscere la proporzione di stelle di massa diversa che si formano in una galassiaè quindi alla base della comprensione della formazione ed evoluzione delle galassie in tutta la storia dell’Universo. Di conseguenza, ci fornisce indizi cruciali sugli elementi chimici disponibili per formare nuove stelle e pianeti e, in definitiva, il numero di buchi neri “seme” che possono fondersi per formare i buchi neri supermassicci che vediamo oggi nel centro di molte galassie.

La co-autrice Donatella Romano dell’INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, Italia, spiega cos’hanno trovato: «Il rapporto tra 18O e 13C era circa 10 volte più alto, in queste galassie “starburst” nell’Universo primordiale, che nelle galassie come la Via Lattea, indicando che all’interno di queste galassie starburst si trova una proporzione decisamente maggiore di stelle massicce».

La scoperta di ALMA è consistente con un’altra scoperta nell’Universo locale. Un gruppo di scienziati, con a capo Fabian Schneider dell’Università di Oxford, Regno Unito, ha effettuto misure spettroscopiche con il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO di circa 800 stelle nella zona di formazione stellare 30 Doradus, nella Grande Nube di Magellano, con lo scopo di studiare la distribuzione globale delle età stellari e della loro massa iniziale. Uno dei primi studi sufficientemente dettagliati da mostrare che l’Universo è in grado di produrre regioni di formazione stellare con distribuzioni di massa molto diverse da quella della Via Lattea.

Schneider spiega: «Abbiamo trovato circa il 30%  di stelle con masse oltre le 30 volte la massa del Sole in più del previsto e circa il 70% in più sopra le 60 masse solari. I nostri risultati sono una sfida al precedente limite di 150 masse solari per il massimo della massa iniziale delle stelle e suggeriscono addirittura che le stelle possano avere masse iniziali fino a 300 masse solari!».

Rob Ivison, coautore del nuovo articolo con i dati di ALMA, conclude: «I nostri risultati ci portano a mettere in discussione la nostra comprensione della storia cosmica. Gli astronomi che costruiscono modelli dell’Universo devono tornare a pensare e progettare modelli, con un maggior grado di sofisticazione».


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