LMC_etadinamica

Una nuova lettura dell’enigma dimensione-eta’ degli ammassi globulari della Grande Nube di Magellano

Misurate eta' dinamiche differenti in ammassi globulari

di pari eta' cronologica

Per oltre 30 anni gli scienziati si sono chiesti perche’ tutti gli ammassi giovani nella Grande Nube di Magellano hanno nuclei compatti, mentre quelli vecchi mostrano nuclei sia compatti, che estesi. Grazie all’utilizzo del Telescopio Spaziale Hubble, gli astronomi hanno trovato la chiave per risolvere il mistero: hanno infatti dimostrato che le diverse dimensioni nucleari osservate sono determinate dall’evoluzione dinamica di questi sistemi stellari. La scoperta e` stata pubblicata il 9 settembre 2019 sulla rivista Nature Astronomy ed e` il risultato di uno studio condotto da scienziati italiani guidati del Prof. Francesco Ferraro dell’Universita` di Bologna

Fino a questo momento, le ricerche avevano suggerito che nella Grande Nube di Magellano gli ammassi globulari si formassero tutti con un nucleo compatto, per poi espandersi sotto l’azione di buchi neri binari. Il gruppo di ricerca italiano ha dimostrato che lo sviluppo di strutture compatte e`, invece, il risultato di processi di evoluzione dinamica interna: indipendentemente da come si formano, tutti i sistemi stellari tendono a sviluppare, con tempi-scala differenti, un nucleo compatto.

Gli Ammassi Globulari sono aggregati stellari costituiti da milioni di astri. Sono sistemi “attivi”, la cui struttura cambia al passare del tempo a causa delle mutue interazioni gravitazionali tra le stelle (la cosiddetta “evoluzione dinamica”). A seguito di tali interazioni, le stelle più massicce si spostano progressivamente verso le regioni centrali dell’ammasso, mentre quelle piu` leggere possono addirittura sfuggire dal sistema. Cio` porta ad una progressiva contrazione della regione più interna (il nucleo), generando una graduale crescita della densità, virtualmente verso valori infiniti: la cosiddetta fase di “collasso del nucleo”. Quindi ammassi nati con strutture differenti sviluppano progressivamente nuclei sempre più compatti, come conseguenza della loro evoluzione dinamica interna. Il tempo scala di tali cambiamenti dipende in maniera complessa dalle condizioni iniziali e ambientali, che sono diverse tra i vari ammassi. Cosi’ sistemi stellari con la stessa eta` cronologica possono mostrare strutture molti differenti a causa della loro differente eta` dinamica.

La Grande Nube di Magellano è una nostra galassia satellite, che dista solo 160,000 anni luce da noi ed e` molto piu` piccola della della Via Lattea: ospita solo 30 miliardi di stelle (confrontati con gli oltre 200 miliardi di astri della nostra galassia). Una delle sue caratteristiche piu` interessanti è che ospita ammassi stellari con differenti età, al contrario della nostra galassia in cui gli ammassi globulari sono tutti molto vecchi (hanno circa l’età dell’Universo: 12 miliardi di anni).

I nuclei degli ammassi della Grande Nube hanno dimensioni che dipendendono dalla loro eta` cronologica: gli ammassi giovani sono tutti compatti, mentre quelli vecchi mostrano sia nuclei compatti, che nuclei piu` estesi. Da quando è stata scoperta (circa 30 anni fa) questa dipendenza tra eta` e dimensioni del nucleo è sempre stata un mistero appassionante per gli scienziati.

Tutti gli ammassi globulari (anche quelli della Grande Nube di Magellano) ospitano le BSS. Il team di scienziati guidati dal Prof. Francesco Ferraro dell’Universita` di Bologna, grazie ad osservazioni del Telescopio Spaziale Hubble, ha studiato le distribuzioni di queste stelle in 5 ammassi della Grande Nube, per usarle come indicatori del processo di invecchiamento dinamico degli ammassi stessi. Questi sistemi stellari sono tutti coevi e cronologicamente vecchi (12 miliardi di anni), ma mostrano nuclei differenti, piu` o meno compatti.

“Come spesso succede nel mondo della ricerca, la risposta ad un vecchio quesito genera subito nuove domande. Nel caso delle Nubi di Magellano, adesso dovremo spiegare perche’ nel passato recente di questa galassia (da 3 miliardi di anni ad oggi) si stanno formando solo ammassi di piccola massa che non riescono a sopravvivere alle interazioni gravitazionali, mentre nelle epoche piu` remote si riuscivano a formare anche sstemi stellari di grande massa che sono sopravvissuti fino ad oggi”, conclude Ferraro.

Eta` cronologiche ed eta` dinamiche

Facendo un’analogia con gli esseri umani, esattamente come le persone della stessa età possono avere differenti forme fisiche, anche gli ammassi stellari formatisi nello stesso momento (quindi, con stessa età cronologica) possono aver raggiunto diversi livelli di evoluzione dinamica.

Mentre l’età di una persona è facilmente reperibile dal documento d’identità, determinare la sua forma fisica non è affatto ovvio e lo stesso accade per gli ammassi stellari: la determinazione dell’epoca di formazione di un ammasso (corrispondente all’età cronologica delle sue stelle) è relativamente semplice, mentre la misura dell’età dinamica (corrispondente al livello di evoluzione dinamica raggiunto a partire dal momento della formazione) è decisamente piu` complesso.

La Grande Nube di Magellano fotografata

dall’Osservatorio di La Silla (Cile) dell’ESO.

Credits: Zdenek Bardon/ESO

NGC 1841

Hodge 11

NGC 2257

NGC 1466

NGC 2210

“Fino ad ora, l’interpretazione del dilemma dimensione-età si basava sull’ipotesi che tutti gli ammassi si formassero compatti, per poi evolvere verso strutture piu` o meno estese a causa dell’azione di buchi neri binari. Il nostro studio dimostra invece che, al passare del tempo, i sistemi stellari tendono a sviluppare nuclei via via

La sequenza di eta` dinamica

degli ammassi stellari della Grande Nube di Magellano

“Questa scoperta fornisce una nuova lettura delle proprieta` osservate degli ammassi nella Grande Nube di Magellano e apre nuove prospettive per la nostra comprensione della storia di formazione stellare in questa galassia”, aggiunge il Dott. Emanuele Dalessandro dell’INAF.

La ricerca ha inoltre suggerito che la mancanza di ammassi giovani con strutture nucleari estese e` probabilmente dovuta alla combinazione di due fatti: gli ammassi di recente formazione sono tutti “leggeri” (di piccola massa) e si stanno formando solo nelle regioni centrali della galassia. A cause di queste condizioni, gli ammassi “estesi” non riescono a sopravvivere alle interazioni gravitazionali ed e` per questo che non ne osserviamo nessuno.

metodo innovativo basato su una particolare classe di stelle pesanti, le cosiddette “Blue Straggler Stars (BSS)”, in italiano “Vagabonde Blu”. Questi oggetti sono piu` pesanti delle stelle normali dell’ammasso, perche’ sono originati o da collisioni dirette tra due astri, o da processi di trasferimento di massa in sistemi binari (due stelle che orbitano l’una attorno all’altra). Proprio a causa del proprio “peso”, le BSS tendono a migrare progressivamente nelle regioni più interne dell’ammasso che le ospita, man mano che l’evoluzione dinamica del sistema procede. Quindi, il livello di sedimentazione centrale delle BSS misura l’età dinamica dell’ammasso ospite, analogamente a quanto la progressiva sedimentazione dei granelli di sabbia di una clessidra misura il passare del tempo (questo strumento innovativo e` stato chiamato “orologio dinamico”).

“Grazie alle BSS, siamo riusciti a misurare l’eta` dinamica di questi ammassi, dimostrando cosi’ che le differenti dimensioni dei loro nuclei sono dovute a diversi livelli di invecchiamento dinamico: i sistemi dinamicamente piu` vecchi hanno nuclei piu` compatti. E` la prima volta che l’effetto dell’evoluzione dinamica viene misurato in ammassi stellari al di fuori della nostra galassia e, nel caso delle Nubi di Magellano, ha portato a risolvere un vecchio dilemma che attanaglia gli scienziati da anni”, dice il Prof. Ferraro.

La vagabonde blu

Illustrazione del modo in cui le BSS diventano piu` pesanti delle altre stelle dell’ammasso: esse si formano da collisioni stellari o sa veri e propri fenomeni di vampirismo tra due stelle compagne.

Per stimare l’eta` dinamica dei sistemi stellari della nostra galassia, il team di scienziati ha ideato un