Nella culla dove nascono le stelle, una nuova mappa

SCOPERTE – In che ambiente e attraverso quali meccanismi è nato il Sole? Maggiore chiarezza sulla questione arriva da un nuovo studio, che ha prodotto una mappa della nube molecolare Orione A con un livello di dettaglio senza precedenti.

Questa nube è la più vicina regione di formazione di stelle di grande massa ed è percettibile persino ad occhio nudo, al centro della spada di Orione nell’omonima costellazione. Al suo interno troviamo diversi ambienti di formazione stellare, con zone in cui sono presenti stelle di grande massa e densi ammassi stellari in formazioni simili a quello da cui si pensa provenga il Sole.

La mappa è il frutto di una collaborazione internazionale di numerosi istituti di ricerca ed è stata pubblicata sulla rivista The Astrophysical Journal.

Una mappa super-dettagliata

“La nostra mappa indaga un grande range di scale fisiche, quelle necessarie per studiare come si formano le stelle nelle nubi molecolari e come le stelle di grande massa influenzano la nube che le ha prodotte” spiega Shuo Kong della Yale University e prima firma dell’articolo.

Stelle come la nostra si formano all’interno di dense nubi formate da gas interstellare freddo, ma i processi non sono ancora ben delineati. Lo studio di queste nubi è molto complesso a causa dell’alta densità del gas e della polvere che le compongono, rendendo difficile osservare i fenomeni in corso al loro interno. Per questo motivo si richiede l’osservazione a diverse lunghezze d’onda, a seconda dei dettagli e dei fenomeni che si vogliono analizzare.

Se nella luce visibile è possibile osservare la radiazione emessa dalle stelle nel caso riesca a fuoriuscire dalla nube, quando si vuole studiare il gas freddo (a poche a decine di gradi kelvin) occorre osservare nelle onde radio. Ed è proprio quello che ha fatto il team con Orione A.

La particolarità della mappa deriva dal fatto che è stata ottenuta combinando i dati di un radiotelescopio a specchio singolo, il Nobeyama Radio Observatory (NRO) in Giappone, con quelli di un interferometro, il Combined Array for Research in Millimeter Astronomy (CARMA) in California. I radiotelescopi sono vere e proprie antenne radio, costituite da grandi parabole che raccolgono il segnale proveniente dallo spazio. Sebbene con parabole di decine di metri di diametro sia possibile raccogliere molto segnale, i radiotelescopi offrono una scarsa risoluzione a causa delle particolari caratteristiche delle onde radio.

Per ovviare a questo problema si ricorre all’interferometria, una tecnica che usa più antenne combinandone il segnale raccolto. Un interferometro è quindi uno strumento con più rilevatori di onde radio e permette una risoluzione pari a quella di un radiotelescopio, con una parabola di diametro pari alla massima distanza tra i rilevatori utilizzati. Le informazioni sono state combinate con l’assistenza dello Yale Center for Research Computing, arrivando a mappe ad altissima risoluzione in cui sono visibili anche i movimenti del gas nella nube.

Il dataset e le mappe sono conosciute come CARMA-NRO Orion Survey il cui nome è dato dalla combinazione del nome degli osservatori che l’hanno prodotta. “La nostra mappa è una combinazione unica di dati da due telescopi molto differenti”  spiega Jesse Feddersen della Yale University, una delle autrici dello studio. “Noi abbiamo combinato lo zoom di CARMA con il grande angolo di vista di NRO per catturare simultaneamente i dettagli delle singole stelle in formazione e la forma e i moti complessivi della nube molecolare gigante”.

Le nubi molecolari e la formazione stellare

Il quadro generale della formazione di stelle a partire dalle nubi molecolari è chiamato modello standard della formazione stellare. A oggi è in grado di offrire una visione di insieme del fenomeno che è delineata solo in parte. Le nubi molecolari giganti sono l’ambiente tipico in cui si formano le stelle: sono presenti nelle galassie a spirale e irregolari ma non in quelle ellittiche. Nelle galassie a spirale come la Via Lattea tendono a formarsi nei bracci del disco, sotto l’azione di onde di compressione generate dalla rotazione della galassia che portano all’aumento della densità del gas interstellare.

Questo gas, inizialmente molto rarefatto, è formato principalmente da idrogeno atomico, da elio e da tracce di altri elementi. Man mano che la sua densità aumenta il gas emette sempre più energia sotto forma di radiazioni (tipicamente infrarosse o radio) raffreddandosi sempre di più e questo favorisce a sua volta l’ulteriore aumento della densità della nube.

Quando la nube diventa opaca alla radiazione ultravioletta l’idrogeno riesce infine a combinarsi formando molecole biatomiche e porta alla formazione di una densa e fredda nube molecolare, la cui massa può raggiungere anche valori di milioni di masse solari. Man mano che al loro interno la densità aumenta, in alcune aree il gas raggiunge una massa tale da cominciare a essere compresso sotto la sua stessa gravità. Il verificarsi o meno di tale contrazione dipende dalla temperatura del gas presente nella nube e dalla sua densità: quanto più bassa è la temperatura e quanto più alta la densità, tanto minore è la quantità di massa necessaria perché possa avvenire tale processo.

Nelle aree dove si innesca il collasso la densità aumenta velocemente e favorisce a sua volta la formazione di aree più piccole in cui la massa è sufficiente a far collassare il gas. La nube così comincia a frammentarsi in nuclei in addensamento che a loro volta si frammentano in nuclei sempre più densi. Questo processo in alcuni milioni di anni o anche meno porta alla formazione di numerosi piccoli nuclei che collassano attraverso varie fasi fino a formare protostelle e infine stelle con gli eventuali sistemi planetari.

Nelle regioni più fredde, dato che sono sufficienti piccole masse affinché avvenga la contrazione, la frammentazione della nube porta alla formazione di una moltitudine di stelle, la maggior parte delle quali di piccola massa e simili al Sole. La formazione stellare ha però un grande impatto sulla nube e. La radiazione stellare scalda la nube e assieme all’intenso vento stellare tipico delle stelle giovani che viene generato dalle stelle giovani tende a soffiare via il gas producendo delle bolle a bassa densità attorno ad esse, fenomeno che avviene in particolare attorno alle stelle di grande massa.

Questi fenomeni disperdono il gas e producono delle onde di comprensione che possono facilitare la formazione di ulteriori stelle. Quelle di grande massa tuttavia hanno una vita molto breve, tipicamente di pochi milioni di anni, al termine della quale esplodono come supernove producendo un effetto simile al vento stellare, ma molto più violento. Nelle zone dove la nube sta ancora collassando il processo può essere accelerato, ma complessivamente l’energia liberata dalla rapida morte in successione delle stelle più grandi tende a spazzare via il gas restante portando infine alla cessazione della formazione stellare e alla dissoluzione della nube.

Quello che rimane alla fine è un grande ammasso, o un’associazione di giovani stelle in cui sono presenti poche stelle di grande massa ancora superstiti, un numero maggiore di stelle di massa intermedia e un gran numero di stelle di piccola massa. Questi gruppi di stelle di solito non sono legati in maniera forte dalla gravità, così i moti propri di ciascuna portano alla progressiva rottura ed evaporazione. Le stelle che li costituivano finiscono per disperdersi ognuna con un proprio cammino, leggermente differente dalle altre dentro il disco della Via Lattea.

E ora?

Questa visione di insieme della formazione stellare presenta tuttavia ancora molte lacune. Ad esempio se sono chiare le condizioni in cui si può innescare il collasso gravitazionale del gas, non è chiaro cosa le possa fa verificare. Si osservano infatti processi di formazione stellare molto intensi che richiedono fattori esterni per essere spiegati, come ad esempio la collisione tra più nubi o effetti mareali nel caso di collisione tra galassie, così come le onde d’urto provocate da supernovae o dalla presenza di stelle massive.

Non sono chiari gli effetti di interazione tra le varie stelle in formazione (e come portino alla formazione di sistemi multipli), né come si formino le stelle massive: il collasso di masse superiori a otto masse solari dovrebbe essere ostacolato dal rapidissimo innesco delle reazioni nucleari. ll dataset CARMA-NRO Orion Survey, col suo livello di dettaglio combinato alla visione generale della nube e dei movimenti del gas, potrebbe aiutare a trovare queste risposte.

La mappa contribuirà allo studio degli ambienti in cui si formano le stelle e la loro evoluzione, ma anche nella calibrazione dei modelli di formazione stellare per altre galassie. Come ha commentato Glen Langston della National Science Foundation, “Le osservazioni combinate sono di grande aiuto per gli astronomi, nel tentativo di capire quanto velocemente e con quale efficienza si formano le stelle. Per esempio la loro mappa mostra che l’energia rilasciata dalle stelle di grande massa ha un grosso impatto sull’ambiente della Nube”.

Qui il video che mostra la mappa:

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