Come nasce una stella

Il pivot è uno dei ruoli standard della pallacanestro. Generalmente è il giocatore più alto della squadra e preferibilmente il più massiccio. Solitamente, gli si richiede di saper sfruttare la sua grande massa soprattutto nei pressi del canestro. A un astrofisico non può che ricordare una stella massiccia, almeno 8 volte superiore a quella del nostro splendente Sole. Se il pivot è il perno della squadra, le grandi stelle massicce sono fulcro negli studi di formazione delle stelle. Come fanno a crescere così tanto, se la stragrande maggioranza delle stelle nella Galassia sono notevolmente più piccole? Per trovare risposta a questa domanda, un gruppo di astronomi, guidati da Jonathan Tan dell’Università della Florida, e che comprende l’italiano Francesco Fontani dell’INAF, ha utilizzato l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA, il progetto astronomico sviluppato in collaborazione tra Europa, Nord America, Asia orientale e la Repubblica del Cile) per sorvegliare il cuore di alcune delle più buie, fredde, e dense nubi nella nostra Galassia. Questi oggetti, conosciuti come Infrared Dark Clouds, si trovano a circa 10.000 anni luce di distanza da noi in direzione delle costellazioni dell’Aquila e dello Scudo. Dal momento che i nuclei delle nubi sono così massicci e densi, la forza di gravità avrebbe già dovuto travolgere la pressione del gas che li sostiene, facendoli collassare in stelle di massa simile a quella del Sole. Ma dal momento che la stella non ha ancora cominciato a brillare, può darsi che qualcosa in più stia sostenendo la nube. “Un nucleo senza stelle indica la presenza di forze che bilanciano la spinta di gravità, rallentando la formazione stellare e permettendo che grandi quantità di materiale si accumulino in una sorta di ‘versione in scala’ del modo in cui si è formato il nostro Sole”, ha dichiarato Jonathan Tan, autore dell’articolo pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal. “Il che suggerisce che stelle massicce e stelle simili al Sole rispondano a dinamiche analoghe di formazione stellare. E l’unica differenza è la dimensione delle nubi da cui hanno origine. Le stelle di media grandezza come il nostro Sole iniziano il loro ciclo evolutivo come concentrazioni di idrogeno dense (ma di massa relativamente piccola), elio e altri elementi all’interno di grandi nubi molecolari. Dopo questa fase iniziale il nocciolo di gas comincia a prendere forma e il materiale collassa sotto la spinta della gravità nella regione centrale, dove si possono formare anche i pianeti. Non appena si è accumulata abbastanza massa, si innescano le reazioni di fusione nucleare e si accende una nuova stella. Questo modello di formazione stellare può rendere conto della stragrande maggioranza delle stelle della nostra Galassia, ma serve qualcosa di più per spiegare la formazione di stelle più massicce. “Qualche forza supplementare è necessaria per bilanciare il normale processo di collasso. Diversamente la Via Lattea dovrebbe avere una popolazione di stelle piuttosto uniformi”, ha spiegato Tan. “In alternativa dobbiamo immaginare due modelli distinti per spiegare la formazione delle stelle: uno per i corpi simili al nostro Sole e uno per le stelle massicce”. Il team di astronomi provenienti da Italia, Stati Uniti e Regno Unito si è servito di ALMA per guardare all’interno di questi nuclei, alla ricerca di una firma chimica unica capace di dirimere la questione. “Abbiamo scelto di utilizzare la molecola N2D+ (uno ione di azoto e deuterio) come tracciante perché, a differenza del più tradizionale monossido di carbonio (e dei suoi isotopi), conserva un’emissione importante anche a temperatura bassissime e alte densità” ci spiega Francesco Fontani dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri dell’INAF, che ha seguito questa fase centrale dello studio. “Il deuterio è importante perché – prosegue Fontani – tende a legarsi con certe molecole in condizioni di basse temperatura. Una volta che le stelle si accendono e riscaldano il gas circostante, il deuterio viene rapidamente perso e sostituito con il più comune isotopo di idrogeno. N2D+ si è rivelata quindi una scelta vincente perché dalle righe di emissione abbiamo potuto dedurre che i nuclei sono vicini all’equilibrio”. Ci troviamo nel bel mezzo di un processo di formazione stellare del tutto simile a quello del nostro Sole, anche se decine (o centinaia) di volte più grande. Le abbondanti quantità di deuterio suggeriscono che la nube sia fredda e senza stelle. Indice del fatto che una qualche forza impedisce al nucleo di collassare e lascia il tempo sufficiente alla formazione di una stella massiccia. I ricercatori ipotizzano che potrebbero essere i forti campi magnetici a ‘puntellare’ la nuvola, impedendole di collassare rapidamente. Queste osservazioni sono state condotte durante la prima campagna scientifica di ALMA. I prossimi studi con le 66 antenne di ALMA potrebbero scoprire ancora più dettagli circa le regioni di formazione stellare.
Davide Coero Borga (INAF)

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Ecco cosa ci racconta una galassia formatasi 11 miliardi di anni fa …

Un team internazionale guidato da astronomi del Niels Bohr Institute all’Università di Copenhagen è riuscito ad analizzare con una dettaglio senza precedenti una remota galassia, la cui luce ha viaggiato approssimativamente 11 miliardi di anni prima di essere catturata dai potenti specchi del telescopio VLT dell’ESO. In realtà la luce appartiene ad un oggetto ancora più remoto e brillante, un quasar, che si trova proprio dietro alla linea di vista. La grande quantità di gas presente nella giovane galassia ha semplicemente assorbito una notevole quantità della luce proveniente dal quasar. Mediante l’analisi di questo assorbimento, i ricercatori sono riusciti a fare un check up completo gli strati più esterni di questa novizia. Non contenti, i ricercatori hanno puntato sulla galassia il telescopio spaziale Hubble, con il quale hanno potuto vedere l’emissione proveniente dalle stelle di più recente formazione. Dall’analisi complessiva dei dati il gruppo di astronomi è infine riuscito a determinare un insieme di importanti proprietà della galassia, come le dimensioni, la massa, la percentuale di elementi contenuti, la velocità con cui si formano nuove stelle. Ancora più in dettaglio, ha potuto stabilire che le stelle formatesi per prime nel centro della galassia abbiamo via via arricchito le stelle degli strati più esterni con elementi chimici più pesanti. Conoscere la quantità di elementi chimici più pesanti di idrogeno ed elio presenti nelle stelle di una galassia dà anche un idea abbastanza precisa di come siano composte le nubi di gas circumstellare in cui prendono forma i pianeti. Come spieganoJohan Fynbo e Jens-Kristian Krogager del Niels Bohr Institute, a capo della ricerca: “Combinando i due metodi di indagine, assorbimento ed emissione, abbiamo scoperto che le stelle osservate hanno una contenuto in ossigeno pari a circa un terzo di quello del Sole. Questo significa che 11 miliardi di anni fa le prime generazioni di stelle nella galassia avevano già costruito gli elementi che rendono possibile la formazione di pianeti come la Terra”. Alla ricerca, pubblicata su Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyha partecipato anche l’italiana Anna Gallazzi, attualmente in forze all’INAF-Osservatorio astrofisico di Arcetri  con una borsa di studio del programma AstroFIt. “Sono ancora pochi gli esempi di galassie rivelate indirettamente dall’assorbimento nella luce di quasar distanti di cui si abbia un misura diretta della loro emissione” spiega Gallazzi a Media Inaf. “Questo studio rappresenta un passo importante per collegare popolazioni di galassie lontane rivelate con i due metodi (in assorbimento o in emissione). La posizione e la composizione chimica del gas visto in assorbimento rivela un meccanismo importante per l’evoluzione chimica delle galassie, ovvero la presenza di un intenso vento galattico capace di trasportare il materiale arricchito fino alle regioni esterne della galassia”.

Herschel scopre un enorme giacimento di gas

No, aspettate a esultare. Non è metano, e non attenuerà in alcun modo i problemi energetici della nostra amata Terra. Ma per chi temeva che la nostra Via Lattea fosse agli sgoccioli è comunque un’ottima notizia: l’idrogeno, perché di questo si tratta, è molto più di quanto stimato in precedenza. Nessun rischio imminente di rimanere a secco, dunque, senza materia prima per dar vita a nuove stelle. A scovare i nuovi giacimenti di gas, il telescopio a infrarossi Herschel dell’Agenzia Spaziale Europea. Una scoperta che ha qualcosa di struggente, considerando che nemmeno due mesi fa lo stesso Herschel è stato costretto a ritirarsi dalla scena proprio perché aveva esaurito l’ultima goccia di carburante – elio liquido, nel suo caso. Ma la messe di dati che ha raccolto durante i suoi quattro anni d’osservazione del cielo a infrarossi è ricchissima, ed è proprio spulciando fra le righe spettrali collezionate dallo strumento HIFI che un team di ricercatori guidato da Jorge Pineda, del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, è riuscito a localizzare e quantificare questi giacimenti di gas fino a oggi sconosciuti. E ci voleva proprio Herschel, per scovarli. Le nubi di molecole d’idrogeno che danno vita alle stelle sono infatti troppo fredde per emettere luce, rimanendo così invisibili alla maggior parte dei telescopi. Per riuscire a localizzarle, gli astronomi si affidano a un tracciante, il monossido di carbonio, molto più facile da rilevare e spesso a braccetto con il gas d’idrogeno. Spesso ma non sempre, però. Nelle regioni dove le nubi stanno appena iniziando a formarsi, per esempio, di monossido di carbonio non c’è traccia. E più in generale, non lo si incontra ovunque l’idrogeno non sia abbastanza denso, spiega il responsabile della ricerca del gas con Herschel, William Langer, anch’egli del JPL. «Il monossido di carbonio viene distrutto dalla luce ultravioletta», dice Langer, «e nello spazio fra le stelle, dove il gas è molto rarefatto, non c’è abbastanza polvere a fare da scudo alle molecole, lasciandole in balia dell’azione distruttrice della radiazione ultravioletta». Fortunatamente il monossido di carbonio (CO) non è l’unico tracciante a disposizione: si può ricorrere, per esempio, al carbonio ionizzato, presente anche nelle regioni d’idrogeno “CO-dark”, ovvero prive di monossido di carbonio. Già noto agli scienziati, è però solo con Herschel che si è per la prima volta riusciti a utilizzare il carbonio ionizzato presente nello spazio per realizzare una mappa dell’abbondanza di gas nella galassia. Un risultato, ora in corso di pubblicazione suAstronomy and Astrophysics, che, oltre a rivedere parecchio al rialzo le stime precedenti, altera pure la geografia di questi giacimenti: non più concentrati nel raggio di 13mila anni luce dal centro galattico, bensì presenti anche a distanze assai superiori, fino ad almeno 36mila anni luce.
di Marco Malaspina (INAF)

Una stella che nasce tra nubi d’acqua

Chissà come sarà tra qualche centinaio di milioni di anni il sistema stellare che si sta formando nella nube L1544, in direzione della costellazione del Toro. Magari attorno a quel nuovo astro che avrà caratteristiche simili al nostro Sole si formeranno pianeti su cui potrebbero svilupparsi forme di vita. È di sicuro ancora troppo presto per dirlo, ma oggi gli scienziati sanno per certo che lì, in quell’ammasso ancora informe di polveri e gas, c’è un ingrediente che è tra quelli fondamentali per sostenere la vita, almeno nelle forme che conosciamo: l’acqua.
A rivelare la presenza di questo elemento, osservato per la prima volta anche sotto forma di vapore in quella che può essere considerata la ‘culla’ di una nuova stella e di un futuro sistema planetario, è stato lo studio condotto da un team di ricercatori guidato da Paola Caselli dell’Università di Leeds e associata INAF a cui partecipano Claudio Codella dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri e Brunella Nisini dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Roma. Determinanti per la scoperta sono state le osservazioni condotte dal satellite dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) Herschel Space Observatory  e del suo spettrometro HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared spectrometer). Erano anni che gli astronomi cercavano di misurare l’abbondanza dell’acqua nelle nubi pre-stellari, ma senza successo. Solo l’entrata in funzione del telescopio spaziale Herschel, lanciato nel 2009, ha permesso finalmente di rivelarne la presenza in quelle regioni dove stanno formandosi nuovi astri. “Il motivo di questa difficoltà è che l’interno delle nubi pre-stellari è troppo freddo perché l’acqua sia in forma di vapore e possa essere osservata” dice Claudio Codella. “Infatti riteniamo che la maggior parte dell’acqua sia congelata sulla superficie dei grani di polvere che compongono le nubi, ricoprendoli con spessi mantelli di ghiaccio, dove anche altre molecole organiche  si formano e rimangono intrappolate. Questi grani di polvere sono i costituenti principali delle future comete, asteroidi, lune e pianeti”. Insomma, veri e propri ‘mattoni’ che stanno alla base di tutto il processo della formazione di stelle e pianeti,  che per questo possono fornirci informazioni fondamentali anche sulla nostra origine. È quindi estremamente importante studiare la loro composizione chimica ed in particolare la quantità dell’ingrediente cruciale per la vita: l’acqua. E in questo ambito, le misure di Herschel hanno davvero prodotto dei risultati eccezionali, non fermandosi solo a individuare la presenza di acqua in L1544, ma spingendosi fino a consentire agli scienziati di stimare la sua abbondanza nella nube. “Grazie allo strumento HIFI a bordo di Herschel, il vapor d’acqua è stato finalmente non solo rivelato in una nube pre-stellare, ma addirittura quantificato” sottolinea Brunella Nisini. “La massa totale di vapor d’acqua individuata il L1544 è corrispondente a circa 2000 oceani terrestri, mentre è presente una ben più grande riserva di acqua ghiacciata, corrispondente a circa 2,6 masse di Giove. Questo valore è stato stimato in base a modelli chimici che riproducono la quantità di vapor d’acqua osservato”. HIFI ha identificato nello spettro della radiazione infrarossa proveniente da L1544 una riga prodotta dall’acqua sia in emissione che in assorbimento, con un profilo che indica che il collasso gravitazionale della nube è appena iniziato: le molecole di acqua osservate stanno muovendosi verso il centro della nube, la culla della futura stella. “Per mantenere l’acqua in forma di vapore nel centro freddo e denso della nube,è necessaria la presenza di particelle energetiche (raggi cosmici Galattici)”, spiega Paola Caselli, che ha guidato il lavoro i cui risultati sono in corso di pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal Letters. “I raggi cosmici entrano nella nube, collidono con l’idrogeno molecolare, ovvero l’ingrediente gassoso più’ abbondante, il quale a sua volta produce una debole luce ultravioletta. Questa illumina i mantelli ghiacciati della polvere, liberando le molecole dell’acqua e mantenendo il vapor d’acqua ad un livello che solo Herschel è in grado di rivelare”. I risultati ottenuti con le misure di Herschel rivelano la stretta connessione tra polvere e gas in una nube, appena prima la formazione di una stella e forniscono la prima osservazione dell’abbondanza di acqua all’interno di una nube genitrice di una futura stella come il nostro Sole e del suo potenziale sistema planetario. Queste fondamentali osservazioni sono tutte italiane, in quanto sono state ottenute utilizzando il tempo garantito italiano dello strumento HIFI di Herschel, ricevuto per il coinvolgimento del nostro Paese nella costruzione dello strumento. HIFI è stato progettato e costruito da un consorzio di agenzie, istituti di ricerca e dipartimenti universitari europei, canadesi e americani. Per l’Italia ha partecipato l’Agenzia Spaziale Italiana, l’INAF-IFSI e l’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri.
di Marco Galliani (INAF)

Ciao, ciao dalla Via Lattea … Una foto da un miliardo di stelle!

Sono oltre un miliardo le stelle visibili nell’immagine composita della nostra Galassia presentata al National Astronomy Meeting a Manchester, in Inghilterra. Una dettagliatissima panoramica della Via Lattea che raccoglie oltre dieci anni di osservazioni dei telescopi UK Infrared Telescope alle isole Hawaii e VISTA sulle Ande cilene e che può essere ammirata in tutti i suoi particolari, attraverso l’interfaccia online che permette di navigare l’immagine e zoomarla fino al massimo livello di risoluzione disponibile.
Osservazioni, condotte nell’infrarosso nell’ambito dei progetti UKIDSS/GPS e VVV hanno permesso di sondare in profondità anche quelle regioni, in particolar modo in vicinanza del centro galattico, dove maggiore è la presenza di gas e polveri che bloccano invece quasi totalmente la luce visibile e ultravioletta delle stelle.
“Questa immagine incredibile ci dà una nuova prospettiva della nostra Galassia e illustra le profonde scoperte che possiamo fare grazie alle grandi survey del cielo”, commenta Nick Cross, della School of Physics and Astronomy dell’Università di Edimburgo. “Il fatto di avere a disposizione dati elaborati, archiviati e pubblicati da team di scienziati specializzati, lascia liberi altri ricercatori di concentrarsi sullo sfruttamento scientifico dei dati, ed è un modo molto conveniente e redditizio di fare astronomia”.
di Marco Galliani (INAF)