Il Lungo Viaggio del Materiale da cui Nascono le Stelle

Il Lungo Viaggio del Materiale da cui Nascono le Stelle

La formazione di stelle e pianeti avviene su piccola scala in termini astronomici, ma viene innescata da flussi di materiale interstellare il cui viaggio ha inizio su scala molto più vasta, nel mezzo intergalattico. Secondo un nuovo studio pubblicato su Nature Astronomy, il gas che fluisce su varie scale è interconnesso dal punto di vista dinamico e il suo moto rivela configurazioni sorprendentemente ordinate.

Nelle galassie la materia grezza per formare stelle è organizzata in modo gerarchico. Gas e polveri necessarie allo scopo, presenti nelle gigantesche nubi molecolari, viaggiano lungo reti intricate di filamenti verso addensamenti di materia in cui vengono compresse fino a formare stelle. Sembra che tale flusso di materiale nasconda una struttura ordinata, sia su vasta scala che su scala ridotta nei singoli addensamenti.

Nelle galassie il gas molecolare è messo in moto da meccanismi fisici come rotazione della galassia, esplosioni di supernova, campi magnetici, turbolenza e gravità, in grado di plasmare la struttura del gas. Non è facile comprendere quale impatto diretto possano avere questi moti sulla formazione di stelle e pianeti, perché occorre quantificare il moto del gas su un’ampia gamma di scale e poi collegare questo moto alle strutture fisiche osservate. Utilizzando osservazioni del gas presente nella Via Lattea e in una galassia vicina, un team internazionale di ricercatori guidati da Jonathan Henshaw del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), Heidelberg, si è proposto di misurare i moti del gas in una serie di ambienti differenti, dalle gigantesche nubi molecolari lungo i bracci a spirale delle galassie ai singoli addensamenti gassosi da cui nasce una stella.

Il team ha individuato i moti misurando le variazioni apparenti nella frequenza della luce emessa da alcune molecole, variazioni provocate dal moto relativo tra la sorgente luminosa e l’osservatore, un fenomeno noto come effetto Doppler. Applicando un software di nuova realizzazione, i ricercatori sono stati in grado di analizzare milioni di misurazioni di moti del gas. “Questo metodo ci ha permesso di visualizzare il mezzo interstellare in un modo nuovo”, spiega Henshaw. I ricercatori hanno scoperto che i moti del gas molecolare freddo sembrano fluttuare in velocità, come onde sulla superficie di un oceano. “Le fluttuazioni di per sé non sono state particolarmente sorprendenti, sapevamo già che il gas si muove”, spiega Henshaw. “Quello che ci ha sorpreso è il fatto che le curve della velocità di differenti regioni appaiono simili. Non importa se osserviamo un’intera galassia o una singola nube all’interno di una galassia, la conformazione rimane più o meno la stessa”, aggiunge Steve Longmore, coautore dello studio.

Per comprendere meglio la natura dei flussi di gas, il team ha selezionato varie regioni, esaminandole più da vicino e utilizzando tecniche statistiche avanzate per individuare differenze tra le fluttuazioni. Combinando una serie di misurazioni differenti, i ricercatori sono riusciti a determinare come le fluttuazioni di velocità dipendano dalla scala spaziale. “Una nuova caratteristica delle nostre tecniche di analisi è il fatto che sono sensibili alla periodicità”, spiega Henshaw. “Se nei dati si presentano configurazioni ripetute, come gigantesche nubi molecolari distanziate a intervalli uguali lungo un braccio a spirale, possiamo identificare direttamente la scala in cui si ripete la configurazione”. Il team ha identificato delle “corsie” di gas filamentose, che, nonostante si presentino in scale molto differenti, sembrano rivelare strutture quasi egualmente distanziate, come perle su un nastro, sia che si tratti di gigantesche nubi molecolari lungo un braccio a spirale o di piccoli addensamenti lungo un filamento.

I ricercatori hanno scoperto che le fluttuazioni di velocità associate con strutture equidistanti mostrano tutte una configurazione caratteristica. “Le fluttuazioni sembrano onde che oscillano tra le creste dei filamenti, hanno un’ampiezza e una lunghezza d’onda ben definita. I distanziamenti periodici delle gigantesche nubi molecolari su vasta scala o dei singoli addensamenti che formano stelle su piccola scala derivano probabilmente dai loro filamenti progenitori, che diventano instabili gravitazionalmente. Riteniamo che questi flussi oscillatori siano l’impronta del gas che fluisce lungo i bracci a spirale o che converge verso picchi di densità, fornendo nuovo carburante per la nascita delle stelle”, spiega Henshaw.

Nell’immagine la distribuzione di gas molecolare (monossido di carbonio) in un braccio a spirale della galassia NGC 4321. Il braccio si estende per quasi 15.000 anni luce. I punti luminosi indicano nubi molecolari gigantesche che sono distanziate in modo semi-regolare all’interno di gas più diffuso nel braccio a spirale. I cerchi blu rivelano la posizione di regioni di formazione stellare. Image: J. Henshaw/MPIA

Al contrario, il team ha scoperto che le fluttuazioni di velocità su scale intermedie tra le gigantesche nubi molecolari e i piccoli addensamenti non mostrano configurazioni caratteristiche. Questo perché i flussi turbolenti di gas che generano queste strutture formano una cascata caotica. Tale comportamento caotico ha luogo tra due estremi ben definiti: la vasta scala dell’intera nube e la piccola scala degli addensamenti che formano singole stelle. Questi estremi, invece, presentano configurazioni caratteristiche ben definite, mentre nel mezzo regna il caos.

“Si possono immaginare le gigantesche nubi molecolari come megalopoli egualmente distanziate e connesse da autostrade”, conclude Henshaw. “Dal punto di vista di un uccello in volo, la struttura di queste città, nonchè le macchine e le persone che si spostano attraverso di esse, appaiono caotiche e disordinate. Tuttavia, quando si focalizza la visione su singole strade, si vedono persone che viaggiano da molto lontano e che entrano nei singoli edifici in modo ordinato. Gli edifici rappresentano gli addensamenti di gas freddo da cui nascono stelle e pianeti”.

Nella ripresa del telescopio Hubble la regione centrale della Nebulosa Tarantola, una vasta regione di formazione stellare nella Grande Nube di Magellano. In basso a destra è visibile il giovane ammasso stellare R136, contenente varie stelle con massa superiore a un centinaio di masse solari
Credit: NASA, ESA, P Crowther (University of Sheffield)

https://www.mpia.de/news/science/2020-08-cosmic-commute