Scritto: Sabato, 27 Luglio 2019 20:44 Ultima modifica: Domenica, 13 Ottobre 2019 06:56

Gaia “vede” la barra centrale della Via Lattea


Per la prima volta, l'esistenza di questa struttura non è stata desunta indirettamente ma emerge chiaramente dal catalogo DR2, dopo opportuna “ripulitura” e elaborazione dei dati... e ci sono sorprese!

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La Via Lattea osservata da Gaia (per i dettagli bisogna leggere l'articolo) La Via Lattea osservata da Gaia (per i dettagli bisogna leggere l'articolo) Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 Nota: questo articolo è, in gran parte, un estratto di quello apparso su ESO/Astronomy & Astrophysics manuscript il 3 luglio, intitolato “Photo-astrometric distances, extinctions, and astrophysical parameters for Gaia DR2 stars brighter than G = 18” (link in fondo). Esso è firmato da 22 ricercatori europei e brasiliani, tra cui 5 con nome palesemente italiano ma, come spesso purtroppo avviene, solo uno di essi lavora presso un istituto italiano (L. Girardi, INAF/osservatorio di Padova).

La nostra comprensione sulla struttura della Via Lattea, al giorno d'oggi, ricorda parecchio la situazione in cui versava la geografia del quindicesimo secolo, quando per gran parte del globo si disponeva solo di mappe approssimative ed incomplete. Un'ampia porzione della galassia rimane ancora nascosta dalla vista e, contrariamente a quello che si è fatto per la Terra, non è possibile organizzare spedizioni per andare a esplorare da vicino quelle remote regioni; tuttavia, esaminando una grande mole di dati raccolti dagli osservatori a Terra e in orbita in varie bande dello spettro elettromagnetico, recentemente si sono fatti molti progressi. Un contributo fondamentale in questo senso lo sta fornendo la missione europea GAIA, con le sue misure ultra-precise di posizione, velocità e distanza (ma anche di luminosità e colore) su un vastissimo campione di oltre 1 miliardo di stelle.

 

Il campione utilizzato

 Navigare efficacemente in una simile mole di dati non è semplice e, finora, il raggio d'azione delle indagini era limitato dagli effetti dell'estinzione, cioè l'attenuazione e l'arrossamento della luce dovuti alla polvere interstellare, soprattutto in vicinanza del piano galattico. Lo scopo di questo nuovo lavoro, soprannominato “StarHorse” dal nome del codice python utilizzato, è proprio quello di fornire valori più precisi e affidabili per l'estinzione e per la distanza delle stelle giganti, in modo da ampliare il volume esplorato applicando opportuni modelli consolidati di evoluzione stellare.

 Partendo dall'ultimo catalogo Gaia DR2, i dati di parallasse sono stati opportunamente ricalibrati per rimuovere gli errori sistematici e le misure fotometriche sono state combinate con quelle di altri cataloghi stellari anche infrarossi (Pan-STARRS1, 2MASS e AllWISE), al fine di ricavare le caratteristiche fisiche, la distanza e l'entità della estinzione in ben 265 milioni di oggetti più luminosi della magnitudine G=18; questo campione si è poi quasi dimezzato (136,6 milioni di sorgenti) dopo aver rimosso i casi di misure incerte o di risultati inaffidabili (indicati come SH_GAIAFLAG="000" e SH_OUTFLAG="00000” nelle figure seguenti); la selezione finale è indicata dai pallini rossi nel seguente istogramma del numero di oggetti in funzione della magnitudine Gaia (intervalli di 0,1 mag):

 StarHorse1

Fig.1) Istogrammi dN-dG dei vari campioni, il dettaglio in basso a destra usa una scala verticale lineare. - Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 Come si vede, l'algoritmo di selezione dà buoni risultati per G<16, dopo di che la qualità dei dati originali degrada a causa del rumore e una porzione crescente di oggetti viene esclusa (fino al 95% delle sorgenti con G=18). I pallini blu indicano invece la distribuzione di 103 milioni di sorgenti con misure sufficientemente precise di distanza (rapporto tra parallasse e sua incertezza migliore di 5).

 Qui sotto i corrispondenti diagrammi Colore-Magnitudine assoluta (chiamati CMD e strettamente imparentati con i famosi diagrammi HR basati su tipo spettrale e luminosità); a sinistra, il campione iniziale di 265 milioni di oggetti, al centro quelli con buona misura di parallasse e, a destra, il campione finale dopo la “ripulitura” StarHorse; i colori riflettono di fatto quelli nell'istogramma precedente.

 StarHorse2

Fig.2) Diagrammi colore-luminosità prima e dopo la “ripulitura” - Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 E' da sottolineare che il campione iniziale esclude già oggetti come le galassie e soprattutto le nane bianche, il cui ramo infatti non appare sotto la sequenza principale. Da notare come l'uso di oggetti con distanze affidabili mostri un andamento più netto dei rami di “sequenza principale” e di “giganti”, mentre fa scomparire alcune sbavature non reali. Tuttavia, anche questo campione esibisce un piccolo “ramo” che sembra staccarsi dalla sequenza principale, andando verso il basso; si tratta essenzialmente di stelle con elevata estinzione, infatti il ramo scompare nel diagramma a destra dove questa popolazione viene esclusa perché non corrisponde ad alcun modello evolutivo stellare. Si nota anche una generale “ripulitura” dai valori estremi di colore, associati dagli autori a situazioni di “astrometria problematica”; in generale, per questo insieme di oggetti (generalmente lontani e deboli), gli autori raccomandano di non usare contemporaneamente i dati di magnitudine assoluta, distanza ed estinzione, per lo meno a livello di oggetti individuali. Infine, la tendenza da parte delle stelle di sequenza principale meno luminose (nane di tipo M), a concentrarsi in strisce oblique discrete (gradoni visibili in basso a destra in tutti i diagrammi, specialmente nel secondo) non è reale ma è, stavolta, legata alla risoluzione limitata dei modelli stellari implementati da StarHorse; una sorta di “rumore di quantizzazione” dell'algoritmo!

 Infine, ecco una mappa integrale dell'estinzione stellare dell'intero campione utilizzato, in coordinate galattiche; si tratta di una rappresentazione in falsi colori (leggermente modificati rispetto all'originale per una migliore leggibilità) della mediana calcolata su una ciascuna porzione di volta celeste del valore dell'estinzione Av espressa in magnitudini, secondo la scala cromatica a destra. A fine articolo, discuteremo più in dettaglio la porzione evidenziata sulla destra con un bordo nero.

 barra estinction map 3

Fig.3) Mappa dell'estinzione; il rettangolo nero è preso in esame nella Fig.6 - Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 

I risultati

 Eccoci finalmente alle mappe della distribuzione dei 137 milioni di sorgenti selezionate e rappresentate in coordinate galattiche ortogonali. Nella figura di apertura (trasformata in negativo rispetto all'originale per mostrare meglio anche le regioni più affollate) l'origine è nel centro galattico e il Sole si trova alle coordinate galattiche (XGal,YGal,ZGal) = (8.2, 0, 0.025) kpc (migliaia di parsec), dunque a 26500 anni luce dal centro e 80 anni luce sopra il piano galattico.

 Oltre alle tre classiche proiezioni ortogonali (vista dall'alto, vista lungo la congiungente Sole-centro galattico e vista di profilo), in basso a destra appare la distribuzione al variare della distanza RGal dal centro galattico (proiettata sul piano galattico) e dell'altezza ZGal rispetto sempre al piano galattico. Naturalmente, le stelle tendono ad “addensarsi” intorno al Sole ma questo è solo un effetto di selezione osservativa dovuto alla distanza, che esclude dallo sguardo le stelle lontane non abbastanza luminose. Anche l'apparente svuotamento di stelle nelle ultime tre proiezioni, lungo sottili strisce orizzontali, non è reale ma imputabile allo schermo della polvere sul piano galattico, ovvero alla suddetta estinzione a bassa latitudine galattica e solo nelle regioni interne della galassia (infatti nell'ultima proiezione essa non si manifesta sulla destra, nelle regioni del piano galattico più esterne al Sole).

Invece, l'addensamento in prossimità del centro galattico è reale e, nella vista dall'alto, esso assume chiaramente un aspetto allungato, una sorta di “sigaro” lungo oltre 6 kpc (20000 anni luce) con una larghezza massima di 1 kpc. Si tratta della celebre struttura barrata delle regioni centrali della Via Lattea, ipotizzata da tempo ma mai vista con tanta chiarezza.

 StarHorse4

Fig.4) Distribuzione sul piano galattico di oltre 10 milioni di giganti rosse osservate da Gaia.- Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 Come mostrato nella figura qui sopra, che rappresenta stavolta solo 10,8 milioni di giganti rosse poste entro 3 kpc dal piano galattico, la barra è nettamente più ruotata rispetto a quanto stimato in precedenza (angolo di azimut pari a 38° contro 7°), con una forma non perfettamente dritta ma leggermente ondulata, una specie di “esse” invertita. Si noti che, in questa seconda mappa, l'avere scelto solo giganti rosse di grande luminosità intrinseca attenua notevolmente l'addensamento illusorio di sorgenti nei pressi del Sole e fornisce una densità più uniforme e veritiera sul piano galattico.

 Guardando sempre la Fig.4, se ci muoviamo dal Sole verso il centro della Via Lattea, per XGal=3,5 kpc la densità di giganti rosse subisce un improvviso aumento di un fattore 50. Non è chiaro fino a che punto questo drastico incremento di densità sia reale o sia imputabile agli algoritmi di selezione utilizzati ma, probabilmente, è più veritiero il confronto con le zone del disco sopra e sotto il bulge (cioè con distanza simile dalla Terra ma diversa longitudine galattica), che esibiscono una densità 4 volte più bassa rispetto a quella media della barra centrale (a sua volta non molto uniforme).

 La capacità di vedere queste strutture nel bulge, spingendo l'esplorazione anche oltre il centro galattico, è una conquista eccezionale per Gaia e per i ricercatori che hanno effettuato l'analisi; peraltro, uno di essi sta già lavorando ad un articolo dedicato solo alla discussione di queste strutture. Qui sotto, è mostrata anche la capacità di osservare la dinamica della Via Lattea, con una rappresentazione del movimento lungo la direzione del piano galattico a diverse latitudini. Più precisamente, i falsi colori codificano la mediana della componente di velocità μ propria delle stelle giganti rosse (le stesse della Fig.4) parallela al piano galattico, in millisecondi d'arco all'anno; naturalmente, una volta rimosso l'effetto del moto peculiare della nostra stella (circa 12 km/s, evidenziato dalla freccia nera), le stelle a noi vicine appaiono “ferme”, dato che partecipano con noi alla rotazione galattica; a distanze maggiori, appare una caratteristica figura simmetrica “a dipolo” che è quella prevista dai modelli di rotazione differenziale.

 StarHorse5 single

Fig.5) Moto proprio longitudinale - Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 La cosa più interessante è che, dove questo dipolo si richiude, in prossimità del centro galattico (indicato con una crocetta rossa), esso appare perfettamente allineato con la struttura barrata (linee di contorno nere), a conferma che quest'ultima è reale ed influenza, con la sua gravità, i moti stellari in quella regione! Peraltro, questo è anche uno dei metodi che, in passato, hanno permesso di dedurre l'esistenza della barra stessa. Il lieve “offset” tra il centro della barra e il centro galattico, che appare leggermente arretrato, è da attribuire a un effetto di selezione osservativa: la forte estinzione delle regioni centrali penalizza le stelle sul lato lontano della barra, nascondendole alla nostra vista. Anche in questo caso, il team sta preparando ulteriori pubblicazioni con una analisi più approfondita della sola cinematica, guardando anche la componente verticale del moto legata alle oscillazioni/ondulazioni del disco.

 

Pregi e difetti

 Tornando per un attimo all'immagine di apertura, va anche segnalata la presenza di un pregio e di un “difetto”, che mostrano potenza e limiti dell'algoritmo adottato.

 Il pregio è quello di rappresentare splendidamente la distribuzione di stelle nell'alone galattico, con un evidente rigonfiamento in corrispondenza delle zone centrali e un progressivo assottigliamento in periferia. Se, in particolare, nell'ultima proiezione in basso a destra prendiamo come riferimento il livello codificato in azzurro, di densità pari a 100 stelle per unità di volume (volume non specificato ma probabilmente pari a 10-3 kpc3), allora possiamo dire che l'alone ha uno spessore di 7 kpc al centro, 5 kpc alla distanza del Sole e si annulla a circa 16 kpc, il che equivale a dire che la Via Lattea ha un diametro di poco superiore a centomila anni luce; tuttavia (come mi ha fatto notare l'amico Michele Diodati) questo risultato lascia il tempo che trova, perchè basato su un campione che risente del limite di magnitudine apparente G<18. Invece, se facciamo la stessa stima sulla base della Fig4, guardando cioè solo alle giganti rosse, in tal caso si tratta di sorgenti intrinsecamente luminose, ben visibili per Gaia anche oltre 10 kpc di distanza; siccome sulla sinistra della figura la loro densità scende in maniera abbastanza brusca (da circa 250 a meno di 100) a 5,3 kpc da noi e quindi a 13 kpc dal centro galattico, il diametro della Via Lattea risulta stavolta dell'ordine di 88000 anni luce (vicino al valore riportato spesso in letteratura). Naturalmente, dal calcolo sono escluse le stelle deboli e vecchie che formano l'alone, molto più ampio del disco, per non parlare della materia oscura che forma un inviluppo ancora più grande!

 Il difetto apparente è invece nelle scie luminose radiali, ben visibili nelle due proiezioni laterali; esse si estendono soprattutto nelle regioni meridionali della galassia e appaiono curve nell'ultima proiezione per effetto dell'integrazione su diversi angoli di azimut galattici. Ebbene, tali strutture, che sono palesemente fittizie, sono dovute ad alcune galassie nane satelliti della Via Lattea, prime tra tutte le due Nubi di Magellano; Gaia, infatti, riesce a risolvere bene molte stelle di queste galassie vicine ma l'algoritmo di HorseStar impone erroneamente che appartengano alla Via Lattea, sbagliando il modello stellare e la stima della distanza; nel caso delle Nubi di Magellano, la distanza corretta è di 50 kpc, dunque 5-20 volte maggiore di quella mostrata!

 Per concludere, un altro bellissimo esempio della potenza di questa analisi sono queste quattro mappe dell'estinzione stellare misurata nella luce di stelle nella regione di Orione, a diverse distanza da noi:

 HS estinction map Orion

Fig.6) Credits: F. Anders et al./ESO – Processing: Marco Di Lorenzo

 Naturalmente, al crescere della distanza, il valore di estinzione aumenta e appaiono dei pixel “bianchi” che sono, in realtà, zone sulle quali non abbiamo informazioni; questo perchè le dense nubi molecolari ricche di polvere, associate alle celebri nebulose M42 e “Testa di Cavallo”, bloccano del tutto la luce delle stelle retrostanti. In pratica, quella che vediamo può essere considerata una vera e propria “tomografia” della distribuzione del materiale interstellare in quella zona!

 

Riferimenti:
https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa35765-19.pdf
https://www.universetoday.com/142877/gaia-mission-is-mapping-out-the-bar-at-the-center-of-the-milky-way/
http://www.asitv.it/media/vod/v/5634/video/gaia-rivela-la-barra-di-stelle-della-via-lattea

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Read 415 times Ultima modifica Domenica, 13 Ottobre 2019 06:56
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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