I dati di Gaia hanno consentito di identificare due raggruppamenti di stelle nelle regioni interne della Via Lattea; esse potrebbero rappresentare quello che resta di due prime proto-galassie che si scontrarono formando una versione primitiva della Via Lattea, contribuendo a costruirla. Se questa interpretazione è corretta, supporterebbe l’idea che le galassie si siano formate a partire dalla collisione di molte aggregazioni più piccole di gas e stelle, come mostrato in questa spettacolare simulazione numerica, prodotta da Vintergatan / Renaud, Agertz e altri nel 2021.
"Ciò che è veramente sorprendente è che siamo in grado di rilevare queste antiche strutture", afferma Khyati Malhan del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, autore della scoperta insieme al collega Hans-Walter Rix. “La Via Lattea è cambiata in modo così significativo da quando sono nate queste stelle che non ci aspetteremmo di riconoscerle così chiaramente come gruppo, ma i dati senza precedenti che stiamo ottenendo da Gaia lo hanno reso possibile”.
Distribuzione di densità delle stelle utilizzate nella ricerca; in alto sulla volta celeste (coordinate galattiche), in basso le proiezioni in coordinate galattiche (il Sole è al centro mentre il nucleo della via Lattea è all'incrocio delle linee rosse tratteggiate) - Credits: K.Malhan e H.W.Rix
I gruppi appena identificati sono stati soprannominati dai loro scopritori Shakti e Shiva, il nome di due divinità indù. Gli astronomi hanno utilizzato i dati raccolti dal satellite astrometrico Gaia, che ha fornito spettri e dati sul moto proprio di quasi 1,5 miliardi di stelle. Utilizzando questi dati, sono stati in grado di individuare due sottopopolazioni di stelle con periodi orbitali ed eccentricità comparabili. La loro bassa metallicità (una indicatore approssimativo della loro età) mostra che i due gruppi hanno intorno a 11,75 miliardi di anni, dunque sono nati solo un paio di miliardi di anni dopo il Big Bang. Le stelle che li compongono sono relativamente luminose (magnitudine apparente Gaia inferiore a 16) e ciascun aggregato ha una massa complessiva di almeno 10 milioni di masse solari, muovendosi all'interno dell'orbita descritta dal Sole attorno al centro galattico.
Dall'alto a sinistra, distribuzione di velocità radiale/azimutale delle stelle utilizzate nella ricerca, diagrammi colore/magnitudine e gravità/temperatura superficiale e, infine, istogramma della metallicità (codificata dai colori nei due grafici precedenti) - Credits: K.Malhan e H.W.Rix
La combinazione delle orbite e della composizione delle stelle aiuta a definire non solo la loro età, ma anche la rapidità con cui esse si sono arricchite di elementi più pesanti dell'idrogeno, il che serve come indicatore di quanto fosse densa la materia quando si sono formate. "Mostrano segni di un rapido arricchimento, pur essendo piuttosto povere di metalli", dice Rix, "le due cose suggeriscono che le stelle si siano formate abbastanza presto".
Due anni fa Rix, Malhan e il loro team avevano trovato “un’enorme concentrazione di stelle molto simili, vecchie e povere di metalli, proprio al centro della Via Lattea”. Il team lo ha chiamato “il povero vecchio cuore della Via Lattea”. Quelle stelle rappresentano uno dei primi frammenti che hanno contribuito a formare la nostra nascente galassia e sembrano formare due popolazioni separate “circa a metà strada tra noi e il centro della galassia”.
Può sembrare sorprendente che dopo più di 10 miliardi di anni di fusione, gli astronomi siano ancora in grado di identificare le popolazioni originarie di stelle. Ma Rix paragona il processo all'osservazione dei piccoli corpi nel sistema solare. Una cometa può disintegrarsi in milioni di frammenti che si diffondono gradualmente lungo la sua orbita; tuttavia, anche quando la traccia si estende per milioni di km, conserva ancora un'identità distinta e chiara attraverso la somiglianza dell'orbita di ciascun frammento. Per farlo, si sono utilizzate rappresentazioni in uno spazio particolare, mostrato nel grafico qui sotto.
A sinistra, rappresentazione delle varie famiglie stellari nello "spazio Azione-Energia"; a destra è possibile apprezzare la rotazione "prograda" o "retrograda" sul piano galattico. - Credits: K.Malhan e H.W.Rix - Improvements: Marco Di Lorenzo
Non tutti, però, sono convinti di questa spiegazione. Adam Dillamore e altri dell'Università di Cambridge, forniscono una interpretazione diversa che attribuisce le particolari proprietà dinamiche dei due gruppi ad un effetto di risonanza, forse causato dalla rotazione della barra centrale della galassia ogni diverse centinaia di milioni di anni. Questo effetto sarebbe analogo alla concentrazione degli asteroidi in risonanza con l'orbita di Giove. "La prova principale che queste popolazioni sono in risonanza con la barra deriva dalle loro proprietà orbitali, come la loro energia", dice Dillamore, "La sottostruttura chiamata Shakti da Malhan e Rix si trova all'energia che corrisponde alla risonanza di co-rotazione, quando le stelle orbitano attorno alla galassia con la stessa frequenza media della rotazione della barra. "La situazione però è meno chiara con l'altra struttura, Shiva. "È possibile che corrisponda a una risonanza diversa o che si sia formata da qualche altro meccanismo", dice e suggerisce che le simulazioni della formazione delle galassie potrebbero aiutare a risolvere le domande, se in tali simulazioni si trovano strutture risonanti simili.
Rix afferma che a suo avviso l'interpretazione della risonanza non corrisponde del tutto ai dati, ma la questione rimane irrisolta. "A volte vedi un fenomeno nuovo e sorprendente, e ci sono solo spiegazioni molto diverse per esso; e va bene così. Penso che a volte dobbiamo far vedere alla gente la mensa dei poveri della scienza. Non è solo la verità eterna e istantanea che viene fuori”. Con l’uscita di due articoli paralleli su questi risultati, “è qualcosa da risolvere”. Tutto si riduce a una domanda fondamentale: “Quanta memoria dinamica ha la nostra Via Lattea?” Rix fa il paragone con una mappa della città in cui si conoscono l'età esatta e i materiali di costruzione di ogni edificio, in modo da poter iniziare a ricostruire la storia della città nel tempo. "Il problema è che bracci di spirale, barre e ogni genere di cose allontanano le stelle dalle loro orbite di nascita, quindi c'è una perdita di memoria dinamica e non sappiamo quanto sia forte. Penso che questa sia una delle domande aperte per i prossimi anni”.