Credit: ESA/Gaia/DPAC
lo Scorso aprile, Amina Helmi sentito la pelle d’oca durante la guida al lavoro nel nord dell’Olanda. Non aveva nulla a che fare con il tempo — era pura anticipazione. Pochi giorni prima, una marea di dati era stata rilasciata da Gaia, una missione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che ha mappato la Via Lattea per cinque anni., L’astronomo dell’Università di Groningen e il suo team stavano correndo per spulciare i dati per approfondimenti sulla Galassia prima che altri arrivassero per primi.
Lavorando su fast-forward, incapace di dormire dall’eccitazione, Helmi e i suoi colleghi sentirono di essere a qualcosa. La squadra aveva individuato una serie di 30.000 stelle rinnegate. A differenza di altri oggetti nel corpo principale della Via Lattea, che orbitano in una forma di disco relativamente piatta, questi anticonformisti si muovevano all’indietro, in orbite che li portavano fuori dal piano galattico.,
In poche settimane, il team aveva scoperto che l’orda luminosa indicava un capitolo a lungo nascosto e particolarmente tumultuoso nella storia della Via Lattea: uno smash-up tra la giovane Galassia e un colossale companion1. Quella bestia una volta circondava la Via Lattea come un pianeta attorno a una stella, ma circa 8-11 miliardi di anni fa, i due si scontrarono, alterando in modo massiccio il disco galattico e spargendo stelle in lungo e in largo. È l’ultimo incidente importante conosciuto che la Galassia ha vissuto prima di assumere la familiare forma a spirale vista oggi.,
Sebbene il segnale di quell’antico incidente si fosse nascosto in bella vista per miliardi di anni, fu solo attraverso il set di dati di Gaia che gli astronomi furono finalmente in grado di rilevarlo. ” È semplicemente incredibile essere stati in grado di trovare una pietra miliare così importante nella storia della Via Lattea”, afferma Helmi.
Tali scoperte monumentali stanno diventando quasi comuni grazie a Gaia. La missione mira a catalogare più di 1 miliardo di stelle locali, tracciando la loro luminosità, temperature, età, luoghi e velocità., Sono queste ultime due proprietà che sono particolarmente edificanti per gli astronomi: prima di Gaia, gli scienziati non avevano misurazioni di alta precisione della distanza da molte stelle, così come quello che è noto come movimento corretto, o movimento di una stella attraverso il cielo. Usando queste informazioni cruciali, i ricercatori possono — come hanno fatto Helmi e i suoi colleghi — cacciare gruppi di oggetti che viaggiano insieme in traiettorie coordinate che indicano una storia comune., Le velocità stellari possono anche aiutare gli astronomi a tracciare l’influenza della materia oscura — la sostanza invisibile e ancora misteriosa che costituisce la maggior parte della massa della Galassia e piega i percorsi delle stelle con la sua gravità.
Centinaia di articoli sono stati pubblicati dal rilascio dei dati di aprile 2018 di Gaia. Dipingono un’immagine di una Via Lattea che è molto più dinamica e complessa di quanto immaginato in precedenza. La Galassia brulica di sorprese, tra cui accenni di grumi di materia oscura che potrebbero alla fine dare agli scienziati una migliore comprensione delle proprietà del materiale oscuro., Le prime scoperte, facili da individuare, sono già state trasformative, dice l’astronomo Vasily Belokurov dell’Università di Cambridge, nel Regno Unito, eppure sono solo un assaggio di ciò che verrà: “Il modo in cui vediamo la Via Lattea è chiaramente cambiato.”
Un passato dirompente
Il Sistema Solare si trova alla periferia della Via Lattea, a circa 8.000 parsec (26.000 anni luce) dal Centro Galattico, su un braccio di spirale secondario noto come Orione. È da questo posatoio, guardando l’enorme banda stellata che si estende attraverso il cielo notturno, che gli astronomi devono tracciare la struttura della Galassia., Verso la metà del ventesimo secolo, avevano dipinto un quadro a pennello largo, determinando che le stelle della Via Lattea sono distribuite in un rigonfiamento centrale, avvolte da braccia stellari serpentine e circondate da un alone sottile e sferico. Negli anni 1970 e 1980, i ricercatori hanno dedotto come questa struttura si fosse accumulata in miliardi di anni, iniziando da una vasta nube di materia oscura, gas e polvere. I componenti visibili sono collassati in una struttura simile a un disco, che poi si è ingrandita divorando galassie satelliti più piccole., Gli astronomi in seguito riempirono i dettagli usando telescopi terrestri per fotografare ripetutamente l’intero cielo notturno. Tali indagini hanno permesso agli scienziati di scrutare più da vicino oggetti galattici su larga scala come l’alone stellare, dove hanno trovato resti di piccole galassie che erano state distese in flussi di detriti costellati di stelle.
Ma le indagini a terra forniscono agli astronomi solo così tante informazioni sulla struttura della Via Lattea, principalmente perché la sfocatura dall’atmosfera turbolenta terrestre limita la precisione con cui è possibile determinare le distanze dalle stelle., E anche se la velocità con cui le stelle si muovono verso o lontano dalla Terra può essere misurata dai cambiamenti di colore, ordinare il loro movimento corretto — e quindi la loro piena velocità 3D — è difficile perché la maggior parte degli oggetti si muove così poco nel cielo su scale temporali umane. Questo problema ha oscurato le relazioni tra molte stelle-collegamenti che potrebbero essere rivelati da somiglianze nei loro movimenti.
La missione Gaia di circa €740 milioni (US million 844 milioni), approvata nel 2000 e lanciata 13 anni dopo, è stata progettata per colmare queste lacune., Orbitando il Sole leggermente più lontano rispetto alla Terra, la navicella scatta le stesse stelle da diverse posizioni nella sua orbita. Ciò consente agli astronomi di misurare la distanza attraverso una quantità nota come parallasse stellare — spostamenti infinitesimali nella posizione apparente di un oggetto nel cielo che accompagnano un cambiamento di prospettiva. Il satellite Hipparcos dell’ESA, che ha operato tra il 1989 e il 1993, ha raccolto dati di parallasse simili. Ma la precisione di Gaia alla fine sarà 100 volte maggiore., E grazie alla sua sensibilità, può sondare più in profondità nella Galassia: circa il 99% degli oltre 1 miliardo di stelle che osserva non ha mai avuto le loro distanze determinate con precisione.
In un’impresa computazionalmente intensiva, i ricercatori di Gaia hanno costruito una trama della posizione di ogni stella rispetto a ogni altra stella che il telescopio vede. Questo ha permesso al team di misurare quanto velocemente le stelle sembrano viaggiare attraverso il cielo-il loro moto corretto., Quindi, misurando piccoli cambiamenti nel colore delle stelle, gli astronomi possono ottenere un’indicazione di quanto velocemente gli oggetti si stanno muovendo verso o lontano dal satellite, lungo la sua linea di vista. La combinazione delle due misurazioni, più le distanze calcolate da Gaia, fornisce il movimento 3D completo delle stelle. Gaia può misurare il movimento della linea di vista per le stelle più luminose che vede, ma i telescopi a terra aiuteranno a misurare le stelle rimanenti. Sapere dove si trova ogni stella e dove sta andando permette ai ricercatori di prendere in giro rapidamente la storia nascosta della Via Lattea.,
Tale era il caso dell’antica collisione studiata da Helmi e dai suoi colleghi (vedi “Fusione nelle prime fasi di formazione della nostra Galassia”). Nel loro lavoro, la prova che la coorte di stelle che hanno individuato condivideva un’origine comune è stata rafforzata dai dati dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS) a terra nel New Mexico, che ha dimostrato che i membri dell’ensemble avevano tutti una composizione chimica simile. Il team ha scelto il nome Gaia-Encelado per la galassia nana che si pensa sia stata la casa delle stelle. Encelado era un gigante che discendeva da Gaia nella mitologia greca.,
Come è successo, Belokurov ei suoi colleghi avevano anche trovato prove della collisione, utilizzando le informazioni dal rilascio preliminare dei dati di Gaia nel 2016. Questi dati non includevano letture di movimento corretto, ma confrontando le posizioni stellari in quel set di dati con le osservazioni SDSS scattate circa un decennio fa, il team ha potuto vedere come le stelle si erano mosse nel tempo intermedio. Hanno notato un gruppo di oggetti che viaggiano insieme su orbite eccentriche che alla fine dovrebbero portarli dal centro della Galassia alla periferia., Questi sembravano aver avuto origine da un singolo incidente importante, la loro storia condivisa evidente a causa delle somiglianze nel contenuto di metallo. Poiché le velocità tracciate formavano una forma di salsiccia, il team ha soprannominato l’antica galassia nana che una volta era la casa delle stelle, la Gaia Sausage2.
La doppia denominazione ha portato a una certa confusione nella comunità. Ma qualunque sia il colpevole è chiamato, l’antica fusione potrebbe essere un indizio per un mistero della Via Lattea permanente., Il disco della Galassia ha due componenti: un sottile disco interno contenente gas, polvere e stelle giovani si trova come il riempimento di un Oreo, all’interno di uno spesso disco esterno costituito quasi interamente da stelle più vecchie. Gli astronomi hanno discusso se il disco spesso è sorto per primo, con gas e polvere che poi si condensano fino a formare un nucleo più sottile, o se la struttura è iniziata con un disco sottile che è stato poi parzialmente gonfiato., Poiché la Salsiccia di Gaia-Encelado era una frazione significativa delle dimensioni della Via Lattea durante l’incidente, avrebbe depositato una grande quantità di energia nel disco Galattico, riscaldandolo ed espandendolo. Il gruppo di Helmi vede questo come un segno a favore dello scenario sbuffante, e la prova di una drammatica distorsione alla Via Lattea.
Esplosione della conoscenza
La velocità con cui tali intuizioni precedentemente difficili possono essere fatte utilizzando i dati Gaia ha stupito i ricercatori., L’astronomo Kathryn Johnston della Columbia University di New York ricorda il brusio su un documento pubblicato il giorno dopo il rilascio dei dati di aprile, mostrando come i moti di circa 6 milioni di stelle vicino al Sole siano tutti allineati in un particolare schema a spirale simile a un guscio di lumaca 3.
Il modello sembrava essere un’impronta digitale, Johnston dice, timbrato da una piccola galassia satellite conosciuta come Sagittario. Ogni volta che il Sagittario si avvicina, disturba gravitazionalmente le stelle galattiche, e questo dovrebbe generare oscillazioni e increspature nel disco., I ricercatori avevano precedentemente ipotizzato tali impronte, ma la firma nei dati Gaia sembrava essere il primo segnale chiaro e convincente dell’influenza del Sagittario. ” Per me è stato un momento straordinario”, dice Johnston. “La spirale era così pulita. Sembrava una previsione teorica da una simulazione idealizzata, non una trama di dati reali.”
Grazie agli occhi di Gaia, tali perturbazioni non solo si distinguono, ma raccontano anche una storia diversa sul passato della Via Lattea., In precedenza, la maggior parte degli astronomi presumeva che mentre l’alone esterno della Galassia ha subito una storia collisionale caotica con satelliti più piccoli, la maggior parte ha vissuto una vita abbastanza tranquilla. Caratteristiche come i bracci a spirale e una barra di stelle che si pensa di attraversare il rigonfiamento centrale sono stati generalmente trattati come prodotti della dinamica interna della Via Lattea. Ma le oscillazioni che sembrano essere indotte dal Sagittario suggeriscono che le forze esterne hanno un impatto maggiore sulla forma della Via Lattea di quanto fosse stato precedentemente riconosciuto.,
Gaia sta costringendo i ricercatori a dare una seconda occhiata ad alcune delle ipotesi canoniche che vengono utilizzati per semplificare i modelli, dice astrofisico Adrian Price-Whelan presso l’Università di Princeton nel New Jersey. “Sapevamo che quelle ipotesi erano sbagliate”, aggiunge. “Gaia ora ci ha mostrato quanto fossero sbagliati.”
Tracciare il lato oscuro
Mappare gli oggetti luminosi della Via Lattea potrebbe anche far luce sulla materia oscura, che potrebbe costituire fino al 90% della massa della Galassia., I teorici sospettano che la nostra Galassia si trovi all’interno di un enorme alone approssimativamente sferico di materia oscura che, proprio come la materia ordinaria, si è aggregata in strutture più piccole grazie alla gravità. Le simulazioni cosmologiche suggeriscono che migliaia di grandi grumi di materia oscura orbitano intorno alla Galassia, venendo occasionalmente mangiati da una massa di materia oscura al centro, in un processo simile al consumo da parte della Via Lattea dei suoi piccoli satelliti visibili.
Si pensa che la stragrande maggioranza delle sottostrutture della materia oscura contenga poche o nessuna stella, rendendole difficili da rilevare., Ma Gaia potrebbe aver trovato un accenno di uno in GD-1, un lungo flusso di stelle scoperto nel 2006 che si estende su metà del cielo settentrionale. Questo flusso stellare non è estraneo al controllo, ma Gaia ha permesso a Price-Whelan e all’astronoma Ana Bonaca presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Massachusetts, di scegliere con maggiore sicurezza i veri membri del gruppo4. Lo scorso novembre, loro e altri due colleghi hanno identificato caratteristiche strutturali, tra cui un divario distinto, che potrebbero essere le cicatrici di un incontro con un oggetto massiccio circa 500 milioni di anni fa5., Come il perturbatore putativo accelerato oltre il flusso, potrebbe aver separato il treno di stelle gravitazionalmente tirando su alcuni, permettendo loro di tirare avanti dei loro compagni.
Il colpevole più probabile sembra essere un denso ciuffo di materia oscura, probabilmente da qualche parte tra 1 milione e 100 milioni di volte la massa del Sole, dice Bonaca. Tale stima potrebbe avere implicazioni per i modelli fisici della materia oscura. La massa di una particella di materia oscura aiuta a dettare quanto velocemente può muoversi e, a sua volta, la dimensione dei cluster che è suscettibile di formare., La dimensione del perturbatore GD-1 è in un intervallo interessante, dice Bonaca, che potrebbe eliminare i candidati ipotizzati di materia oscura che sono relativamente bassi in massa.
Bonaca e il suo team sono ora interessati a utilizzare i dati Gaia per determinare le velocità delle stelle disturbate nel flusso, che potrebbero puntare all’orbita del presunto ammasso di materia oscura. Se riescono ad accertare dove potrebbe essere trovato oggi, potrebbero essere in grado di rilevare i suoi effetti gravitazionali su altri materiali., O forse potrebbero addestrare telescopi a raggi γ sul posto per cercare prove di particelle di materia oscura che si annichiliscono l’un l’altro o decadono, processi che potrebbero emettere fotoni energetici. Entrambe le tecniche potrebbero offrire una sonda più diretta delle proprietà fisiche della sostanza invisibile.
Eppure Price-Whelan dice che è difficile dedurre troppo da un singolo esempio., Spera che studi sistematici utilizzando il catalogo Gaia e gli osservatori futuri-come il Large Synoptic Survey Telescope a terra in Cile, che dovrebbe iniziare a raccogliere dati nei primi anni 2020 — riveleranno stelle più deboli e altri flussi stellari. Se alcuni di questi flussi mostrano anche gli effetti degli incontri con ciuffi di materia oscura, potrebbero dare agli astronomi un’idea migliore dell’abbondanza e delle dimensioni di tali ammassi, il che aiuterebbe a definire le proprietà della materia oscura.,
Gli astronomi sperano che i dati di Gaia sui moti stellari li aiutino anche a tracciare la forma generale del lato oscuro della Galassia. A seconda del tipo di particella da cui è costruita, l’alone di materia oscura della Via Lattea potrebbe avere diversi livelli di sfericità o simmetria. Belokurov si aspetta che le informazioni di Gaia sulle orbite stellari locali saranno sufficienti per tracciare la massa e la forma complessiva dell’alone di materia oscura nei prossimi 2-4 anni.
Tali risultati non saranno limitati alla Via Lattea., Le conclusioni tratte sulla storia della Galassia e sulla distribuzione della materia oscura si alimenteranno in modelli cosmologici che vengono utilizzati per esplorare come le grandi strutture dell’Universo sono cresciute e cambiate. Gaia ha già ottenuto la sua prima estensione di missione alla fine del 2020, e l’astronomo Anthony Brown dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi, che presiede il consorzio di elaborazione e analisi dei dati della missione, pensa che il satellite possa continuare a raccogliere dati fino al 2024, per una missione decennale in totale., Dice che questa estensione dovrebbe fornire un fattore di tre miglioramento nella precisione della misurazione di Gaia del moto corretto per le stelle che attualmente tiene traccia. E potrebbe fornire informazioni su stelle sempre più lontane.
L’eredità finale di Gaia deve ancora essere scritta, ma tutte le indicazioni suggeriscono che sarà sostanziale. I dati provenienti da indagini su tutto il cielo come quelle condotte dall’SDSS continuano a fornire scoperte fruttuose sull’Universo un decennio o più dopo che sono state completate., Helmi non vede l’ora di riavvolgere ulteriormente la storia della Via Lattea mentre il catalogo di Gaia diventa più grande e più dettagliato. ” Una delle cose che trovo più eccitante”, dice, ” è che abbiamo appena iniziato a scavare davvero nel passato.”