Giovedì 14 Dicembre 2017
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Misurare la massa della Via Lattea con le stelle iperveloci

Distribuzione delle velocità delle stelle in funzione della distanza dal centro galattico (si veda spiegazione nel testo)
Distribuzione delle velocità delle stelle in funzione della distanza dal centro galattico (si veda spiegazione nel testo) Source: G. Fragione and A. Loeb: Constraining Milky Way mass with Hypervelocity Stars - Processing: M. Di Lorenzo

Questi astri, espulsi dal nucleo galattico con velocità molto elevate, si rivelano uno strumento efficace per valutare la massa della nostra galassia. La nuova stima, per metà italiana, va da 1200 a 1900 miliardi di masse solari, principalmente sottoforma di materia oscura. E GAIA permetterà di fare molto meglio...

 Le proprietà fisiche della Via Lattea e la sua storia evolutiva sono le chiavi per comprendere, tra l'altro, la storia della formazione delle galassie, l'evoluzione stellare e la dinamica delle galassie satelliti come le Nubi di Magellano. Un parametro, la massa totale della Via Lattea, è particolarmente rilevante ma ancora abbastanza incerto. È difficile misurarlo non solo perché siamo collocati all'interno della galassia stessa e molte parti di essa risultano invisibili, ma anche perché la maggior parte della massa è sottoforma di materia oscura che non irradia.

 Le stime attuali della massa totale si basano sul movimento degli ammassi globulari o delle nubi mareali di gas e oscillano tra mille a diverse migliaia di miliardi (1012) masse solari. L'italiano Giacomo Fragione dell'Università "La Sapienza" di Roma* e A.Loeb del "Center for Astrophysics" (CfA/SAO) di Harvard hanno trovato un metodo efficace per valutare la massa totale della Via Lattea simulando i movimenti delle stelle a ipervelocità, di cui abbiamo parlato un paio di mesi fa a proposito di Gaia. Si tratta di stelle che si muovono nell'alone galattico, a distanze che vanno da 150mila a oltre 350mila anni luce dal centro della galassia, ben oltre le dimensioni del disco galattico; sulla base delle misure spettroscopiche, la loro velocità radiale supera i 350 km/s e arriva a sfiorare 700 km/s, dunque oltre quella che è, verosimilmente, la velocità di fuga dalla Via Lattea a quella distanza; secondo un modello proposto da Hills nel 1988, sarebbero state espulse durante violente interazioni ravvicinate di stelle binarie con il buco nero supermassiccio al centro della galassia, situazione in cui c'è un trasferimento di quantità di moto a vantaggio di una delle due stelle, mentre l'altra viene inghiottita; un'altra possibilità è che si tratti di stelle singole che incontrano sistemi binari formati da due buchi neri, nelle affollate regioni vicine al nucleo galattico. Anche se l'esatto meccanismo con cui vengono prodotte è ancora oggetto di discussioni, le loro orbite all'interno del campo gravitazionale della galassia possono essere studiate e forniscono utili informazioni su quest'ultimo.

 Una recente rassegna spettroscopica effettuata con il Multiple Mirror Telescope (MMT) ha rivelato più di venti di queste stelle con velocità superiore a quella di fuga e altrettante con velocità più bassa; si tratta di stelle blu e luminose, dunque di massa elevata (da 2.5 a 4 M) e vita relativamente breve (qualche centinaio di milioni d'anni); perciò, se non viaggiassero così rapidamente, non potrebbero trovarsi così lontano dal disco dove sono nate. Gli autori dell'articolo inviato ad Astronomy and Astrophysiscs sono partiti proprio da questa considerazione e dall'osservazione che c'è una forte asimmetria nella distribuzione delle velocità radiali di queste stelle. Come mostrato nei due grafici in apertura, le stelle tendono ad avere velocità positive ovvero uno spostamento verso il rosso che testimonia un allontanamento da noi; questo effetto, tanto più marcato quanto maggiore è la distanza dal nucleo galattico r (in ascisse), è un chiaro indizio del fatto che le stelle sono su traiettorie in uscita (senza ritorno) e sono anche una conseguenza della loro durata di vita limitata. Le curve nei due grafici rappresentano, rispettivamente, i limiti imposti sulla distribuzione al variare dalla massa della materia oscura galattica (a sinistra) e al variare della durata di vita o, più precisamente, del tempo di attraversamento delle stelle nell'alone (a destra, con una scala più ampia sulle ascisse). Nel primo diagramma si è assunta una vita fissa pari a 330 milinoni di anni, nel secondo una massa 1012M.

Iper 2 copy

Grafico analogo ai precedenti, stavolta i pallini rappresentano le sole stelle del catalogo MMT più veloci (in valore assoluto), metre le curve rappresentano la velocità di fuga per diversi valori della massa relativa all'alone. - Source: G. Fragione and A. Loeb: Constraining Milky Way mass with Hypervelocity Stars

 Adottando per queste stelle una vita tipica di 330 milioni di anni e utilizzando altre informazioni cinematiche e statistiche secondo una tecnica proposta da Perets nel 2009, i due scienziati calcolano che la massa dell'alone di materia oscura è compresa tra 600 e 900 masse solari e, estrapolando questo risultato fino a 650mila anni luce, la massa totale della nostra galassia dovrebbe cadere tra 1,2 e 1.9 ×1012M,  circa un ordine di grandezza al di sopra della massa della materia visibile. Questo risultato è in ottimo accordo con una stima analoga fatta 7 anni fa da Gnedin e altri (1.6±0.3) ×1012M. Si noti che il raggio di 200 kparsec entro cui la massa viene calcolata è praticamente tutta la sfera di influenza gravitazionale della Via Lattea e comprende al suo interno anche le Nubi di Magellano!

 Naturalmente, l'articolo si conclude con la previsione (e l'auspicio) che presto i dati cinematici tridimensionali del nuovo catalogo GAIA permetteranno di fare una stima molto più accurata della massa galattica.

* Notare che il nome del co-autore italiano della ricerca non viene assolutamente menzionato nei due articoli riportati nella sitografia sottostante! 

 

Riferimenti:
https://www.cfa.harvard.edu/news/su201736
https://www.universetoday.com/137379/determining-mass-milky-way-using-hypervelocity-stars/

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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