Fabbriche di stelle: uno studio mostra come la polvere cosmica e i gas modellano le galassie

Gli astronomi trovano fastidiosa la polvere cosmica quando disturba la loro visione del cielo, ma senza di essa l’universo sarebbe privo di stelle. La polvere cosmica è l’ingrediente indispensabile per fare le stelle e per comprendere come le nubi diffuse di gas primordiale si assemblano formando galassie in piena regola.

“La formazione delle galassie è uno dei più grandi interrogativi rimasti in astrofisica”, ha dichiarato Andrey Kravtsov, professore associato di astronomia e astrofisica presso l’Università di Chicago.

Gli  astrofisici si stanno avvicinando a risolvere questa questione, grazie a una combinazione di nuove osservazioni e simulazioni di supercomputer, compresi quelli effettuati da Kravtsov e Nick Gnedin, un fisico del Fermi National Accelerator Laboratory.

Gnedin e Kravtsov hanno pubblicato nuovi risultati in base alle loro simulazioni del numero di maggio 2010 di The Astrophysical Journal, spiegando perché le stelle si sono formate più lentamente nella storia iniziale dell’universo di come hanno fatto molto più tardi. Il documento venne rapidamente all’attenzione di Robert C. Kennicutt Jr., direttore  dell’Istituto di Astronomia della University of Cambridge,  e co-scopritore di uno dei risultati principali di osservazione circa la formazione stellare in galassie, noto come il rapporto Kennicutt-Schmidt.

Sul numero di Nature del 3 Giugno 2010, Kennicutt ha osservato che la recente ondata di osservazioni e simulazioni teoriche fa ben sperare per il futuro dell’ astrofisica. Nel documento su  Astrophysical Journal, Kennicutt ha scritto, “Gnedin e Kravtsov hanno fatto fare un passo significativo per unificare queste osservazioni e simulazioni, e fornire un perfetto esempio dei progressi recenti in materia.”

La  legge della formazione dele stelle

La legge di formazione delle stelle di Kennicut si riferisce alla quantità di gas nelle galassie in una data area nel momento in cui  il gas si trasforma in stella. Il rapporto è stato molto utile se applicato a galassie osservate tardi nella storia dell’universo, ma recenti osservazioni di Arthur Wolfe della University of California, San Diego, e Hsiao-Wen Chen, assistente professore di astronomia e astrofisica presso l’Univrsità di Chicago, indicano che la relazione non riesce per le galassie osservate durante i primi 2 miliardi anni dopo il Big Bang.

Il lavoro di Gnedin e Kravtsov spiega  perché. “Questo dimostra che nelle prime fasi di evoluzione, le galassie erano molto meno efficienti nel convertire il loro gas in stelle,” ha detto Kravtsov.

L’ evoluzione stellare porta ad aumentare l’abbondanza di polvere, come le stelle produrre elementi più pesanti dell’elio, tra cui il carbonio, ossigeno e ferro, che sono gli elementi chiave nelle particelle di polvere.

“All’inizio, le galassie non hanno avuto tempo sufficiente per produrre molta polvere e senza polvere è molto difficile formare vivai stellari”, ha detto Kravtsov. “Non convertivano il gas nel modo più efficiente come fanno invece le galassie oggi, che sono già abbastanza polverose.”

Il processo di formazione stellare inizia quando nubi di gas interstellare diventano sempre più densi. Ad un certo punto gli atomi di idrogeno e di elio iniziano a combinarsi per formare molecole in alcune regioni fredde di queste nubi. Una molecola di idrogeno si forma quando due atomi di idrogenosi uniscono. Lo fanno in modo inefficiente nello spazio vuoto, ma si incontrano più facilmente sulla superficie di una particella di polvere cosmica.

“Le più grandi particelle di polvere cosmica  sono come le più piccole particelle di sabbia sulle belle spiagge delle Hawaii “, ha detto Gnedin.

Queste molecole di idrogeno sono molto fragili e vengono facilmente distrutte dalla luce ultravioletta intensa emessa dalle giovani stelle massicce. Ma in alcune regioni galattiche nuvole scure, così chiamate a causa della polvere che contengono, formano uno strato protettivo che protegge le molecole di idrogeno dalla luce distruttiva di altre stelle.

Vivai stellari

“Mi piace pensare alle stelle come ai dei cattivi genitori, perché forniscono un ambiente  peggiore per la prossima generazione”, ha scherzato Gnedin. La polvere fornisce quindi un ambiente protettivo per i vivai stellari, Kravtsov osservato.

“C’è una semplice connessione tra la presenza di polveri in questo gas diffuso e la sua capacità di formare le stelle, e questo è qualcosa che abbiamo modellato per la prima volta in queste simulazioni galassia-formazione”, ha detto Kravtsov. “E ‘molto plausibile, ma non sappiamo per certo che sia esattamente quello che sta succedendo.”

Il modello Gnedin-Kravtsov fornisce anche una spiegazione naturale del perché le galassie a spirale riempiono il cielo oggi, e perché  piccole galassie formano stelle in maniera lenta e inefficiente.

“Siamo abituati a vedere dischi molto sottili, e questi tipi di sistemi sono molto difficili da formare nelle simulazioni galassia-formazione”, ha detto Kravtsov.

Questo perché gli astrofisici hanno ipotizzato che le galassie si sono formate gradualmente attraverso una serie di collisioni. Il problema è che le simulazioni mostrano che quando le galassie si fondono, formano strutture sferoidali che sembrano più ellittiche che a  spirale.

Ma, presto nella storia dell’universo,  nubi di gas cosmico si sono rivelate inefficaci a creare  stelle, così si sono scontratie prima che la formazione stellare si fosse verificata. “E’ possibile che quei tipi di fusione creino un disco sottile”, ha detto Kravtsov.

Per quanto riguarda piccole galassie, la loro mancanza di produzione di polvere potrebbe spiegare la loro formazione stellare inefficiente. “Tutti questi aspetti separati di elementi di prova che esistevano già in qualche modo sono apparsi in un unico momento,” Gnedin osservato. “Questo è quello che mi piace come fisico perché la fisica, in generale, è un tentativo di comprendere i principi unificanti dietro fenomeni diversi.”

Molto  lavoro resta ancora da fare, però, con il contributo di borsisti appena  arrivati per il post-dottorato presso l’Università Chicago e più simulazioni da eseguire su supercomputer ancora più potenti. “Questo è il prossimo passo”, ha detto Gnedin.