Astronomia

Formazione delle prime stelle

Formazione delle prime stelle

Ho alcune domande sulle prime stelle che si sono formate nell'universo. Prima di tutto, in che modo la metalicità potrebbe aver influito sulla formazione delle prime stelle e anche quale effetto avrebbe avuto l'assenza di metalli sull'evoluzione di queste stelle?

Perché queste stelle erano in grado di essere così massicce? Ho sentito che la metallicità influisce sull'opacità, quindi questo potrebbe inibire la perdita di massa dalla pressione delle radiazioni?

Il limite di Eddington entrerebbe in gioco con stelle così grandi?


La luce delle prime stelle dell'universo vista

Gli astronomi hanno individuato la luce delle primissime stelle dell'universo, che sono vecchie quasi quanto il tempo stesso.

Poco dopo il Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa, l'universo si è raffreddato abbastanza da permettere la formazione di atomi, che alla fine si sono raggruppati per creare le prime stelle. Da quando queste stelle si sono accese, la loro luce ha riempito l'universo, creando un bagliore pervasivo nello spazio a cui si aggiunge ogni successiva generazione di stelle.

Ora, gli astronomi hanno rilevato questo bagliore, chiamato luce di fondo extragalattica, o EBL, e hanno separato la luce dalle stelle successive, isolando il contributo delle prime stelle mai esistite.

"L'EBL è l'insieme di fotoni generati da tutte le stelle e anche da tutti i buchi neri dell'universo", ha affermato l'astrofisico Marco Ajello dello SLAC National Accelerator Laboratory in California, che ha guidato la ricerca. "L'EBL include anche la luce delle prime stelle massicce che abbiano mai brillato. Abbiamo una conoscenza abbastanza buona della luce emessa dalle stelle "normali". Pertanto, misurando l'EBL siamo in grado di limitare la luce delle prime stelle. "

Ajello e il suo team non hanno misurato direttamente l'EBL, ma l'hanno rilevato analizzando le misurazioni di buchi neri distanti effettuati dal telescopio spaziale Fermi Gamma-Ray della NASA. Fermi ha studiato la luce da oggetti chiamati blazar, che sono buchi neri giganti che rilasciano abbondanti quantità di luce mentre divorano grandi pasti di materia.

"Usiamo [blazar] come fari cosmici", ha detto Ajello. "Osserviamo il loro oscuramento dovuto alla 'nebbia' dell'EBL. Questo ci consente di quantificare quanto EBL c'è tra noi e i blazar. Poiché i blazar sono distribuiti nell'universo, possiamo misurare l'EBL in epoche diverse".

Lo studio è stato in grado di sondare la luce emessa dalle stelle che esistevano quando l'universo aveva solo 0,6 miliardi di anni o giù di lì &mdash relativamente un neonato.

Si pensa che queste prime stelle fossero molto diverse dalle stelle che si formano oggi. In generale, erano molto più massicce, contenevano fino a centinaia di volte la massa del nostro sole e bruciavano più calde, più luminose e per una vita più breve delle stelle di oggi. [Galleria: Storia e struttura dell'Universo]

Le nuove misurazioni dovrebbero aiutare gli astronomi a rispondere ad alcune delle loro domande più basilari sulle prime generazioni di stelle, come la velocità con cui si sono formate e quanto tempo dopo la nascita dell'universo sono nate le prime stelle, hanno detto i ricercatori.

"Abbiamo davvero bisogno di capire questo periodo", ha detto Volker Bromm, un astronomo dell'Università del Texas ad Austin che non ha partecipato alla ricerca, durante una conferenza stampa della NASA che ha annunciato i risultati. "A questo punto abbiamo modelli teorici, ma dobbiamo testarli e vincolarli".

"Con Fermi abbiamo il primo passo in questa frontiera cosmica", ha aggiunto Bromm.

Gli scienziati hanno già scoperto che il tasso di formazione di picco delle prime stelle doveva essere inferiore a quanto si pensasse in precedenza.

In definitiva, i ricercatori vorrebbero limitare ulteriormente questo parametro e alla fine intravedere queste stesse stelle antiche. La tecnologia futura, come il successore della NASA del telescopio spaziale Hubble, chiamato James Webb Space Telescope (che dovrebbe essere online entro il 2018), dovrebbe avvicinarsi a fare il lavoro.

"Rilevare queste stelle è molto importante, ma attualmente impossibile", ha detto Ajello. "Il telescopio Webb tra qualche anno potrebbe essere in grado di vedere le prime galassie (non le prime stelle però). In questo modo siamo già in grado di stabilire dei vincoli sulla quantità e sul ruolo di queste stelle nell'universo primordiale".


Le stelle di prima generazione si sono formate più rapidamente di quanto si pensasse in precedenza

Un team internazionale di astronomi ha scoperto un'enorme nube di gas formatasi appena 850 milioni di anni dopo il Big Bang. La composizione chimica dell'oggetto rivela che la prima generazione di stelle si è formata rapidamente e ha arricchito l'Universo con gli elementi da essa sintetizzati.

La nube di gas appena scoperta si è formata appena 850 milioni di anni dopo il Big Bang. Credito immagine: Società Max Planck.

Il Big Bang ha dato inizio all'Universo come una zuppa calda e torbida di particelle estremamente energetiche che si stava rapidamente espandendo. Quando questo materiale si è diffuso, si è raffreddato e le particelle si sono fuse in gas idrogeno neutro.

L'Universo è rimasto oscuro, senza alcuna fonte luminosa, fino a quando la gravità non ha condensato la materia nelle prime stelle e galassie.

Tutte le stelle, compresa questa prima generazione, agiscono come fabbriche chimiche, sintetizzando quasi tutti gli elementi che compongono il mondo che ci circonda.

Quando le stelle originali sono esplose come supernovae, hanno vomitato gli elementi che hanno creato, seminando il gas circostante.

Le generazioni successive di stelle incorporarono questi elementi e aumentarono costantemente le abbondanze chimiche dei loro dintorni.

Ma le prime stelle si sono formate in un Universo ancora incontaminato e freddo. Di conseguenza queste stelle iniziali hanno prodotto elementi in proporzioni diverse da quelle sintetizzate dalle stelle più giovani, che si sono formate in un ambiente già arricchito dalle generazioni precedenti.

"Guardando abbastanza indietro nel tempo, ci si può aspettare che le nubi di gas cosmico mostrino la firma rivelatrice dei particolari rapporti degli elementi creati dalle prime stelle", ha affermato il dott. Michael Rauch, astronomo degli Observatories of the Carnegie Institution for Science .

"Guardando ancora più indietro, alla fine potremmo assistere alla scomparsa della maggior parte degli elementi e all'emergere di gas incontaminato".

Gli astronomi hanno usato a lungo i quasar per conoscere la composizione chimica del gas cosmico nel tempo, mostrando come diverse generazioni di stelle arricchiscano l'ambiente circostante.

"Abbiamo trovato questa antica nube di gas seguendo un inventario di quasar molto distanti utilizzando i telescopi Magellan presso l'Osservatorio Las Campanas di Carnegie in Cile", ha affermato il dott. Eduardo Bañados, degli Osservatori del Carnegie Institution for Science e del Max-Planck -Institut für Astronomie.

Poiché la nube di gas esiste tra un quasar chiamato P183+05 e noi sulla Terra, la luce incredibilmente brillante del quasar deve attraversarlo per arrivare a noi e gli astronomi possono approfittarne per capire la chimica della nube.

Il team ha scoperto che la composizione chimica della nuvola era abbastanza moderna e non così primitiva come previsto se dominata dalle prime stelle.

Sebbene si sia formato solo 850 milioni di anni dopo il Big Bang, le sue abbondanze chimiche erano già così elevate come quelle tipicamente osservate nelle nubi di gas cosmiche che si sono formate diversi miliardi di anni dopo.

"Apparentemente, la prima generazione di stelle era già scaduta quando si è formata la nuvola", ha detto il dott. Rauch.

"Questo dimostra che l'Universo è stato rapidamente sommerso dai prodotti chimici delle generazioni successive di stelle, anche prima che la maggior parte delle galassie odierne fossero al loro posto".

I risultati sono stati pubblicati nel Giornale Astrofisico.

Eduardo Bañados et al. 2019. Un sistema Lyα smorzato povero di metalli a Redshift 6.4. ApJ 885, 59 punti: 10.3847/1538-4357/ab4129


Una simulazione estrema delle prime stelle dell'universo

Per astronomi, astrofisici e cosmologi, la capacità di individuare le prime stelle che si sono formate nel nostro Universo è sempre stata irraggiungibile. Da un lato, ci sono i limiti dei nostri attuali telescopi e osservatori, che possono vedere solo fino a quel momento. L'oggetto più lontano mai osservato era MACS 1149-JD, una galassia situata a 13,2 miliardi di anni luce dalla Terra che è stata individuata nell'immagine Hubble eXtreme Deep Field (XDF).

Dall'altro, fino a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, l'Universo stava vivendo ciò che i cosmologi chiamano "Età buia" quando l'Universo era pieno di nubi di gas che oscuravano la luce visibile e infrarossa. Fortunatamente, un team di ricercatori del Centro per l'astrofisica relativistica della Georgia Tech ha recentemente condotto simulazioni che mostrano come appariva la formazione delle prime stelle.

Lo studio che descrive i loro risultati, pubblicato nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society, è stato guidato da Gen Chiaki e John Wise, ricercatore post-dottorato e professore associato del CfRA (rispettivamente). A loro si sono uniti ricercatori della Sapienza Università di Roma, dell'Osservatorio Astronomico di Roma, dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

L'immagine Hubble Extreme Deep Fields (XDF). Credito: NASA/ESA/UCSC/Leiden University/ HUDF09 Team

Basandosi sui cicli di vita e morte delle stelle, gli astrofisici teorizzano che le prime stelle nell'Universo fossero molto povere di metalli. Dopo essersi formate circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, queste stelle si sono formate da un brodo primordiale di gas idrogeno, elio e tracce di metalli leggeri. Questi gas collasserebbero per formare stelle fino a 1.000 volte più massicce del nostro Sole.

A causa delle loro dimensioni, queste stelle furono di breve durata e probabilmente esistettero solo per pochi milioni di anni. In quel periodo, hanno elementi nuovi e più pesanti nelle loro fornaci nucleari, che sono stati poi dispersi una volta che le stelle sono collassate ed sono esplose in supernova. Di conseguenza, la prossima generazione di stelle conterrebbe elementi più pesanti contenendo carbonio, portando alla designazione di stelle Carbon-Enhanced Metal-Poor (CEMP).

La composizione di queste stelle, che oggi può essere visibile agli astronomi, è il risultato della nucleosintesi (fusione) di elementi più pesanti della prima generazione di stelle. Studiando il meccanismo alla base della formazione di queste stelle povere di metalli, gli scienziati possono dedurre cosa stava accadendo durante i "Secoli Oscuri" cosmici, quando si formarono le prime stelle. Come ha detto Wise in un comunicato stampa del Texas Advanced Computer Center (TACC):

“Non possiamo vedere le primissime generazioni di stelle. Pertanto, è importante guardare effettivamente questi fossili viventi dell'universo primordiale, perché hanno le impronte digitali delle prime stelle dappertutto attraverso le sostanze chimiche che sono state prodotte nella supernova dalle prime stelle.

È qui che entrano in gioco le nostre simulazioni per vedere ciò che accade. Dopo aver eseguito la simulazione, puoi guardarne un breve filmato per vedere da dove vengono i metalli e come le prime stelle e le loro supernove influiscono effettivamente su questi fossili che vivono fino ai giorni nostri.

Densità, temperatura e abbondanza di carbonio (in alto) e ciclo di formazione delle stelle Pop III (in basso). Credito: Chiaki, et al.. Credito: Chiaki et al.

Per il bene delle loro simulazioni, il team si è affidato principalmente al cluster Georgia Tech PACE. Ulteriore tempo è stato assegnato dalla National Science Foundation's (NSF) Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), dal supercomputer Stampede2 al TACC e dal sistema Frontera finanziato dall'NSF (il supercomputer accademico più veloce al mondo) e dal cluster Comet a il San Diego Supercomputer Center (SDSC).

Con le enormi quantità di potenza di elaborazione e archiviazione dei dati fornite da questi cluster, il team è stato in grado di modellare la debole supernova delle prime stelle nell'Universo. Ciò che questo ha rivelato è che le stelle povere di metalli che si sono formate dopo le prime stelle nell'Universo sono state potenziate dal carbonio attraverso la miscelazione e il fallback dei bit espulsi dalle prime supernovae.

Le loro simulazioni hanno anche mostrato che le nubi di gas prodotte dalle prime supernove si stavano seminando con grani carboniosi, portando alla formazione di stelle "giga-povere di metalli" di bassa massa che probabilmente esistono ancora oggi (e potrebbero essere studiate da sondaggi futuri). Ha detto Chiaki di queste stelle:

“Troviamo che queste stelle hanno un contenuto di ferro molto basso rispetto alle stelle potenziate di carbonio osservate con miliardesimi dell'abbondanza solare di ferro. Tuttavia, possiamo vedere la frammentazione delle nuvole di gas. Ciò indica che le stelle di piccola massa si formano in un regime di bassa abbondanza di ferro. Tali stelle non sono mai state ancora osservate. Il nostro studio ci fornisce una visione teorica della formazione delle prime stelle.”

Un nuovo studio ha esaminato 52 galassie submillimetriche per aiutarci a comprendere le prime età del nostro Universo. Credito: Università di Nottingham/Omar Almaini

Queste indagini fanno parte di un campo in crescita noto come “archeologia galattica.” Proprio come gli archeologi si affidano a resti fossili e manufatti per saperne di più sulle società scomparse secoli o millenni fa, gli astronomi cercano stelle antiche da studiare per saperne di più su coloro che sono morti da tempo.

Secondo Chiaki, il prossimo passo è espandersi oltre le caratteristiche del carbonio delle stelle antiche e incorporare altri elementi più pesanti in simulazioni più grandi. In tal modo, gli archeologi galattici sperano di saperne di più sulle origini e la distribuzione della vita nel nostro Universo. Ha detto Chiaki:

“Lo scopo di questo studio è conoscere l'origine di elementi come carbonio, ossigeno e calcio. Questi elementi sono concentrati attraverso i cicli ripetitivi della materia tra il mezzo interstellare e le stelle. I nostri corpi e il nostro pianeta sono fatti di carbonio e ossigeno, azoto e calcio. Il nostro studio è molto importante per aiutare a comprendere l'origine di questi elementi di cui siamo fatti noi esseri umani


Formazione delle prime stelle - Astronomia

Descriviamo i risultati di una simulazione idrodinamica tridimensionale completamente autoconsistente della formazione di una delle prime stelle nell'Universo. Negli attuali modelli di formazione della struttura, inizialmente la materia oscura domina e gli oggetti pregalattici si formano a causa dell'instabilità gravitazionale dovuta a piccole perturbazioni di densità iniziale. Mentre si assemblano tramite fusione gerarchica, il gas primordiale si raffredda attraverso linee ro-vibrazionali di molecole di idrogeno e affonda al centro del pozzo potenziale della materia oscura. Si forma l'analogo ad alto redshift di una nuvola molecolare. Quando le parti dense e centrali della nube di gas freddo diventano auto-gravitanti, un nucleo denso di

100 M solare (dove M solare è la massa del Sole) subisce una rapida contrazione. A densità di numero di particelle superiori a 109 per centimetro cubo, un nucleo protostellare solare di 1 M diventa completamente molecolare come risultato della formazione di H 2 a tre corpi. Contrariamente alle aspettative analitiche, questo processo non porta a una rinnovata frammentazione e si forma una sola stella. Il calcolo viene interrotto quando gli effetti di profondità ottica diventano importanti, lasciando alquanto incerta la massa finale della stella completamente formata. In questa fase la protostella sta accumulando materiale molto rapidamente (

10 -2 M anno solare -1 ). Il feedback radiativo della stella non solo fermerà la sua crescita, ma inibirà anche la formazione di altre stelle nello stesso oggetto pregalattico (almeno fino a quando la prima stella non termina la sua vita, presumibilmente come supernova). Concludiamo che al massimo una stella massiva (M >> 1 M solare ) priva di metalli si forma per alone pregalattico, coerentemente con le recenti misurazioni dell'abbondanza di stelle dell'alone galattico povere di metalli.


Gli astronomi stimano la scala temporale per la formazione delle stelle

Mappa del paesaggio galattico: ATLASGAL copre circa i due terzi dell'intera regione della Via Lattea entro 50.000 anni luce dal centro galattico. L'immagine mostra l'area coperta da ATLASGAL nella regione tra i due enormi complessi di nubi molecolari W33 e M17 nella costellazione del Sagittario. Le due sezioni ingrandite mostrano la radiazione nell'infrarosso medio del rilevamento GLIMPSE con il telescopio Spitzer in blu e verde, e la radiazione nell'intervallo submillimetrico da ATLASGAL in rosso, con l'aggiunta di curve di livello. Il dettaglio a sinistra mostra un gruppo freddo e massiccio in cui non si è ancora formata nessuna stella, il dettaglio a destra mostra una giovane stella massiccia. In basso a destra c'è un'immagine schematica della galassia con il "Cerchio Solare" (cerchio verde) e l'intera regione coperta da ATLASGAL all'interno della Via Lattea (area ombreggiata). Credito: ATLASGAL-Team

Utilizzando una mappa del paesaggio galattico che copre circa i due terzi dell'intera regione della Via Lattea, gli astronomi stimano la scala temporale per la formazione delle stelle.

Gli astronomi hanno intrapreso una nuova indagine sul piano della nostra Via Lattea e hanno scoperto una grande quantità di grumi freddi e densi di gas e polvere, apparentemente le culle di stelle massicce. Un team guidato da Timea Csengeri del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn ha ora utilizzato la mappa, ottenuta dal telescopio APEX a una lunghezza d'onda di 0,87 millimetri, per stimare la scala temporale per la formazione delle stelle. Il risultato: il processo sembra procedere molto rapidamente, con stelle massicce che impiegano in media solo 75.000 anni per formarsi, un tempo significativamente più breve rispetto a stelle meno massicce.

Le stelle con una massa molto più grande del nostro Sole terminano la loro vita veloce e furiosa con enormi esplosioni di supernova, producendo così gli elementi pesanti nell'universo. Prima di farlo emettono potenti venti stellari e radiazioni ad alta energia. Di conseguenza, le stelle non hanno solo un impatto sul loro ambiente locale, ma anche sull'aspetto e sull'evoluzione futura della galassia nel suo insieme.

Queste stelle si formano nelle regioni più fredde della Via Lattea, all'interno di nubi di polvere così dense da inghiottire quasi completamente la radiazione delle giovani stelle nascoste all'interno. È qui che si forma una nuova generazione di stelle massicce, incorporate nelle dense nubi di gas e polvere. Le osservazioni a lunghezze d'onda superiori a quelle del visibile o dell'infrarosso sono necessarie se i ricercatori vogliono seguire le prime fasi della nascita.

È qui che entra in gioco il telescopio APEX da 12 metri, che opera nella gamma submillimetrica. Un team di astronomi ha utilizzato il telescopio insieme alla fotocamera LABOCA costruita presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy per rintracciare le culle delle stelle più massicce. APEX si trova nella pianura di Chajnantor nel deserto cileno di Atacama ad un'altitudine di 5.100 metri, uno dei pochi luoghi sulla Terra che consente osservazioni a lunghezze d'onda submillimetriche.

ATLASGAL (APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy) copre una regione di oltre 420 gradi quadrati nel piano galattico e quindi il 97 percento della Via Lattea interna all'interno del cosiddetto Circolo Solare. Questo contiene ampie regioni di tutti e quattro i bracci di spirale e circa due terzi della porzione molecolare completa della galassia. I dati coprono la maggior parte dei vivai di stelle massicce. Ed è anche per aiutare i ricercatori a produrre una mappa tridimensionale.

Il cielo sopra APEX: L'immagine mostra la regione meridionale della Via Lattea con le stelle Alpha e Beta Centauri, il Crux e la regione intorno a Eta Carinae (nebulosa rossastra brillante sopra a sinistra del centro dell'immagine). Il rilievo ATLASGAL con il telescopio APEX copre il piano galattico fino alla regione della Carina. Credito: ESO/Y. Beletsky (foto del cielo) / ESO (telescopio APEX) / raccolta di immagini di C. Urquhart

"Il nostro team ha utilizzato i dati ATLASGAL per generare il campione più completo dei luoghi di nascita precedentemente nascosti di stelle massicce", afferma Timea Csengeri del Max Planck Institute for Radio Astronomy, l'autore principale dello studio. "Abbiamo trovato un gran numero di nuovi potenziali luoghi in cui queste stelle si stanno attualmente formando nella nostra Via Lattea".

Questo record statistico completo ha permesso ai ricercatori di dimostrare che i processi che danno origine alle nuvole fredde e dense in cui nascono le stelle più massicce devono procedere estremamente rapidamente, su una scala temporale di soli 75.000 anni. Questo è significativamente più breve delle corrispondenti scale temporali per la formazione di stelle di massa inferiore come il nostro Sole.

“I ricercatori conoscevano già la vita veloce e furiosa delle stelle più massicce della nostra Via Lattea. Ma ora siamo stati in grado di dimostrare che è anche accompagnato da un corrispondente periodo di formazione breve nei loro bozzoli di nascita", afferma l'astronomo di Max Planck James Urquhart. In effetti, le stelle meno massicce, simili al Sole, vivono circa 1.000 volte più a lungo di quelle massicce. E i nuovi risultati mostrano che anche le stelle massicce si formano su una scala temporale molto breve in un processo di formazione stellare che è molto più dinamico.

Secondo Friedrich Wyrowski, ATLASGAL fornisce anche grafici con dati per le nubi di polvere più estreme: "I processi di formazione stellare che avvengono all'interno di queste nubi di polvere possono quindi essere studiati con l'aiuto della nuova rete di telescopi ALMA a una risoluzione angolare molto più elevata", è cosa ha da dire lo scienziato del progetto APEX presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy sui progetti futuri.

Pubblicazione: T. Csengeri, et al., “The ATLASGAL survey: a catalog of dust condensations in the Galactic plane,” A&A 565, A75 (2014) doi:10.1051/0004-6361/201322434

Immagini: ATLASGAL-Team ESO/Y. Beletsky (foto del cielo) / ESO (telescopio APEX) / raccolta di immagini di C. Urquhart


La propagazione dei raggi cosmici può influenzare la formazione stellare nelle galassie

I raggi cosmici svolgono un ruolo significativo nel controllo dell'equilibrio termico nelle nubi molecolari spesse, dove si forma la maggior parte delle stelle, e possono anche svolgere un ruolo nel guidare i venti galattici, controllare la formazione stellare e persino determinare il carattere del mezzo intergalattico.

A causa della consapevolezza che i raggi cosmici possono accelerare efficacemente i venti galattici, il ruolo dei raggi cosmici generati da supernovae e giovani stelle ha iniziato solo di recente a ricevere un'attenzione significativa negli studi sulla formazione e l'evoluzione delle galassie. L'efficienza della guida del vento dei raggi cosmici è determinata dai processi microscopici di trasporto dei raggi cosmici.

Le giovani stelle massicce nelle galassie che iniettano energia e quantità di moto nel mezzo interstellare controllano l'innesco e l'estinzione della formazione stellare. Anche il feedback dei buchi neri supermassicci nei nuclei delle galassie è importante. I massicci deflussi di gas osservati nelle galassie, ad esempio, sono guidati da questi processi. Tuttavia, le specifiche, come il modo in cui funzionano e i relativi ruoli dei vari processi di feedback, sono oggetto di accesi dibattiti.

I raggi cosmici in particolare sono accelerati in forti shock formati da esplosioni di supernova e venti stellari e generano una notevole pressione nel mezzo interstellare.

I raggi cosmici, in particolare, sono accelerati dalle esplosioni di supernova e dai venti stellari (entrambi aspetti della formazione stellare) e generano una pressione significativa nel mezzo interstellare. Sono cruciali nella regolazione dell'equilibrio termico nelle nubi molecolari dense, dove si forma la maggior parte delle stelle e possono anche svolgere un ruolo nella regolazione della formazione stellare, nel guidare i venti galattici e persino nel determinare il carattere del mezzo intergalattico.

Gli astronomi ritengono che la capacità dei raggi cosmici di propagarsi dai siti in cui vengono prodotti nel mezzo interstellare e oltre il disco sia una proprietà chiave che limita la loro influenza, ma i dettagli non sono ben compresi.

Vadim Semenov di CfA e due collaboratori hanno utilizzato simulazioni al computer per studiare come una tale variazione nella propagazione dei raggi cosmici può influenzare la formazione stellare nelle galassie, il che è stato motivato da recenti osservazioni dell'emissione di raggi gamma da sorgenti di raggi cosmici vicine come ammassi stellari e resti di supernova .

Influenze dei raggi cosmici sulla formazione stellare nelle galassie

Le osservazioni indagano la propagazione dei raggi cosmici perché si pensa che i raggi cosmici producano una frazione significativa dell'emissione di raggi gamma quando interagiscono con il gas interstellare. I flussi di raggi gamma osservati implicano che la propagazione dei raggi cosmici vicino a tali sorgenti può essere localmente soppressa da un fattore significativo, potenzialmente da diversi ordini di grandezza. Secondo studi teorici, tale soppressione può essere causata da interazioni non lineari dei raggi cosmici con campi magnetici e turbolenza.

Sebbene sia ampiamente ipotizzato che i raggi cosmici galattici (protoni e nuclei) siano principalmente accelerati dai venti e dalle supernove di stelle massicce, la prova definitiva di questa origine rimane sfuggente quasi un secolo dopo la loro scoperta. Le galassie Starburst hanno tassi di formazione stellare eccezionalmente elevati e le loro grandi dimensioni, oltre 50 volte il diametro di regioni galattiche comparabili, consentono misurazioni calorimetriche affidabili della loro densità di raggi cosmici potenzialmente elevata.

Si prevede che i raggi cosmici emessi durante la formazione, la vita e la morte delle loro stelle massicce alla fine producano un'emissione diffusa di raggi gamma attraverso le interazioni con il gas e la radiazione interstellare.

La formazione stellare attiva alimenta l'emissione di radiazioni nelle regioni nucleari delle galassie starburst, sia direttamente dalle esplosioni di supernova (SN) sia indirettamente dal riscaldamento da shock SN di gas e polvere interstellari, nonché processi radiativi che coinvolgono elettroni e protoni accelerati da shock SN.

Le simulazioni sono state utilizzate dagli scienziati per studiare gli effetti della soppressione del trasporto dei raggi cosmici vicino alle sorgenti. Scoprono che la soppressione provoca un accumulo di pressione locale e forti gradienti di pressione, che impediscono la formazione di massicci grumi di gas molecolare che formano nuove stelle, modificando qualitativamente la distribuzione globale della formazione stellare, in particolare nelle galassie massicce e ricche di gas inclini alla formazione di grumi . Concludono che l'effetto dei raggi cosmici regola lo sviluppo della struttura del disco della galassia ed è un importante complemento agli altri processi coinvolti nella formazione della galassia.


Lo studio di un sistema stellare giovane e caotico rivela i segreti della formazione dei pianeti

Utilizzando i dati sulla velocità del gas, gli scienziati che hanno osservato Elias 2-27 sono stati in grado di misurare direttamente la massa del disco protoplanetario della giovane stella e anche di tracciare le perturbazioni dinamiche nel sistema stellare. Visibili in questo pannello composito sono i dati sulle emissioni del continuum di polvere di 0,87 mm (blu), insieme alle emissioni dei gas C18O (giallo) e 13CO (rosso). Credito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/T. Paneque-Carreño (Universidad de Chile), B. Saxton (NRAO)

Un team di scienziati che utilizza l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) per studiare la giovane stella Elias 2-27 ha confermato che le instabilità gravitazionali giocano un ruolo chiave nella formazione dei pianeti e per la prima volta hanno misurato direttamente la massa dei dischi protoplanetari utilizzando i dati sulla velocità del gas, potenzialmente svelando uno dei misteri della formazione dei pianeti. I risultati della ricerca sono pubblicati oggi in due articoli su The Giornale Astrofisico.

I dischi protoplanetari, i dischi che formano pianeti fatti di gas e polvere che circondano le giovani stelle appena formate, sono noti agli scienziati come il luogo di nascita dei pianeti. L'esatto processo di formazione del pianeta, tuttavia, è rimasto un mistero. La nuova ricerca, guidata da Teresa Paneque-Carreño, una neolaureata dell'Universidad de Chile e Ph.D. studente presso l'Università di Leida e l'Osservatorio europeo meridionale e autore principale del primo dei due articoli, si concentra sullo svelare il mistero della formazione dei pianeti.

Durante le osservazioni, gli scienziati hanno confermato che il sistema stellare Elias 2-27, una giovane stella situata a meno di 400 anni luce dalla Terra nella costellazione dell'Ofiuco, mostrava prove di instabilità gravitazionali che si verificano quando i dischi che formano i pianeti trasportano una grande frazione di massa stellare del sistema. "Come si formano esattamente i pianeti è una delle domande principali nel nostro campo. Tuttavia, ci sono alcuni meccanismi chiave che riteniamo possano accelerare il processo di formazione dei pianeti", ha affermato Paneque-Carreño. "Abbiamo trovato prove dirette dell'instabilità gravitazionale in Elias 2-27, il che è molto eccitante perché questa è la prima volta che possiamo mostrare la prova cinematica e multi-lunghezza d'onda di un sistema che è gravitazionalmente instabile. Elias 2-27 è il primo sistema che controlla tutte le caselle."

Le caratteristiche uniche di Elias 2-27 lo hanno reso popolare tra gli scienziati di ALMA per più di mezzo decennio. Nel 2016, un team di scienziati che utilizzava ALMA ha scoperto una girandola di polvere che vorticava intorno alla giovane stella. Si credeva che le spirali fossero il risultato di onde di densità, comunemente note per produrre i bracci riconoscibili delle galassie a spirale, come la Via Lattea, ma all'epoca non erano mai state viste prima intorno a singole stelle.

Elias 2-27 è una giovane stella situata a soli 378 anni luce dalla Terra. La stella ospita un enorme disco protoplanetario di gas e polvere, uno degli elementi chiave per la formazione del pianeta. In questa illustrazione grafica, la polvere è distribuita lungo una morfologia a forma di spirale scoperta per la prima volta in Elias 2-27 nel 2016. I grani di polvere più grandi si trovano lungo i bracci a spirale mentre i grani di polvere più piccoli sono distribuiti intorno al disco protoplanetario. Durante lo studio sono stati rilevati anche afflussi di gas asimmetrici, indicando che potrebbe esserci ancora materiale che cade nel disco. Gli scienziati ritengono che Elias 2-27 possa eventualmente evolversi in un sistema planetario, con instabilità gravitazionali che causano la formazione di pianeti giganti. Poiché questo processo richiede milioni di anni, gli scienziati possono osservare solo le fasi iniziali. Credito: B. Saxton NRAO/AUI/NSF

"Abbiamo scoperto nel 2016 che il disco Elias 2-27 aveva una struttura diversa da altri sistemi già studiati, qualcosa che prima non si osservava in un disco protoplanetario: due bracci a spirale su larga scala. Le instabilità gravitazionali erano una forte possibilità, ma l'origine di queste le strutture sono rimaste un mistero e avevamo bisogno di ulteriori osservazioni", ha affermato Laura Pérez, Assistant Professor presso l'Universidad de Chile e ricercatore principale dello studio del 2016. Insieme ai collaboratori, ha proposto ulteriori osservazioni in più bande ALMA che sono state analizzate con Paneque-Carreño come parte del suo M.Sc. tesi all'Universidad de Chile.

Oltre a confermare le instabilità gravitazionali, gli scienziati hanno trovato perturbazioni, o disturbi, nel sistema stellare al di sopra e al di là delle aspettative teoriche. "Potrebbe esserci ancora nuovo materiale dalla nube molecolare circostante che cade sul disco, il che rende tutto più caotico", ha detto Paneque-Carreño, aggiungendo che questo caos ha contribuito a fenomeni interessanti che non sono mai stati osservati prima e per i quali gli scienziati hanno nessuna spiegazione chiara. "Il sistema stellare Elias 2-27 è altamente asimmetrico nella struttura del gas. Questo è stato completamente inaspettato ed è la prima volta che osserviamo una tale asimmetria verticale in un disco protoplanetario".

Cassandra Hall, assistente professore di astrofisica computazionale presso l'Università della Georgia, e coautrice della ricerca, ha aggiunto che la conferma sia dell'asimmetria verticale che delle perturbazioni della velocità - le prime perturbazioni su larga scala legate alla struttura a spirale in un disco protoplanetario - potrebbe avere implicazioni significative per la teoria della formazione dei pianeti. "This could be a 'smoking gun' of gravitational instability, which may accelerate some of the earliest stages of planet formation. We first predicted this signature in 2020, and from a computational astrophysics point of view, it's exciting to be right."

Paneque-Carreño added that while the new research has confirmed some theories, it has also raised new questions. "While gravitational instabilities can now be confirmed to explain the spiral structures in the dust continuum surrounding the star, there is also an inner gap, or missing material in the disk, for which we do not have a clear explanation."

One of the barriers to understanding planet formation was the lack of direct measurement of the mass of planet-forming disks, a problem addressed in the new research. The high sensitivity of ALMA Band 6, paired with Bands 3 and 7, allowed the team to more closely study the dynamical processes, density, and even the mass of the disk. "Previous measurements of protoplanetary disk mass were indirect and based only on dust or rare isotopologues. With this new study, we are now sensitive to the entire mass of the disk," said Benedetta Veronesi—a graduate student at the University of Milan and postdoctoral researcher at École normale supérieure de Lyon, and the lead author on the second paper. "This finding lays the foundation for the development of a method to measure disk mass that will allow us to break down one of the biggest and most pressing barriers in the field of planet formation. Knowing the amount of mass present in planet-forming disks allows us to determine the amount of material available for the formation of planetary systems, and to better understand the process by which they form."

Although the team has answered a number of key questions about the role of gravitational instability and disk mass in planet formation, the work is not yet done. "Studying how planets form is difficult because it takes millions of years to form planets. This is a very short time-scale for stars, which live thousands of millions of years, but a very long process for us," said Paneque-Carreño. "What we can do is observe young stars, with disks of gas and dust around them, and try to explain why these disks of material look the way they do. It's like looking at a crime scene and trying to guess what happened. Our observational analysis paired with future in-depth analysis of Elias 2-27 will allow us to characterize exactly how gravitational instabilities act in planet-forming disks, and gain more insight into how planets are formed."


Lecture 1 : From the Big Bang to Stars

There is persuasive evidence that the Universe was created in ``the Big Bang'', in which space and time were created in a simple hot energetic, state, about 15 billion (15 x 10 9 ) years ago.

1.1.1 Five steps from the Big Bang to Stars

    During the first 10 -43 seconds the four fundamental forces are unified (although no complete physical description of this era yet exists). Temperature 10 32 Kelvin. 10 -43 seconds defines the time when gravity splits from the other forces (weak, strong and Electro-Magnetic).

These steps are illustrated schematically in figure 1.1.


Figure 1.1: Schematic illustration of the steps leading from the Big Bang to the present-day Universe. Light from the first stars re-illuminated the Universe some 1-5 Gyr after the Big Bang. Source: Encyclopedia of Applied Physics, Vol. 23

1.1.2 Structure formation - stars and galaxies are born

About 300,000 years after the Big Bang, there was the era of recombination in which protons and electrons combined to form neutral Hydrogen. At this point, baryonic matter in the Universe consisted of about 75% Hydrogen and 25% Helium (by mass), with some small amounts of heavy elements (elements starting from Lithium). The distribution of this material was very close to, but not quite, uniform. These slight over- and under-densities were observed for the first time by the COBE satellite (launched in 1989) and amount to only a few parts in 100,000. The variations were mapped out over the whole sky (see figure 1.2) on scales of greater than about 7 degrees.


Figure 1.2: Map of the entire sky at a resolution of about 7 degrees, showing vary small variations in the background microwave radiation. These small variations indicate lesser and greater density regions in the early Universe, which would have led via gravity to the structures we see today. Source: Encyclopedia of Applied Physics, Vol. 23 (Page 47 - 81), 1998 WILEY-VCH Verlag GmbH, ISBN: 3-527-29476-7.

After recombination, the Universe entered a period called the ``Dark Ages'', until gravitational attraction had operated on very slight over-densities in the matter distribution, leading to the formation of light emitting stars and galaxies. The Universe was optically observable again!

Exactly how stars and galaxies formed, when the process started and how long it took is currently a major area of research. A simple picture runs like this: about 1 billion years after the big bang the first star forming regions, conglomerates of perhaps 10 6 to 10 9 solar masses began to develop. Over the next several billion years, most of these merge to form larger units or are partially destroyed by the energetic supernovae which develop as a natural part of star formation. Within a few billion years most of these have developed into stable configurations of stars and gas and are recognisable as ``galaxies''.

The faintest galaxies so far observed were seen in the ``Hubble Deep Field'', a tiny patch of sky which was imaged for more than a week by the Hubble Space Telescope (figure 1.3).


Figure 1.3: Part of the Hubble Deep Field, the deepest image of the sky ever taken. The image contains thousands of galaxies and a handful of stars. Some of the galaxies in the image are so distant that the light has taken more than 10 billion years to reach us.

Galaxies have been identified in this image with redshifts which indicate that the light reaching us has been traveling for about 90 % of the age of the Universe - or about 12-15 billion years. One such galaxy is shown in figure 1.4. Such galaxies (and the stars in them) are likely part of the very first generation of stars and galaxies to have formed.


Figure 1.4: One of the most distant galaxies known appears as little more than a coloured spot on this section of the Hubble Deep Field. Such distant, high red-shift galaxies give interesting information about how fast the Universe changed from an almost uniform state to the clumpy galaxy distribution we see today, and also allow its minimum age to be determined.

These galaxies are at present too few in number and too faint to be study in the kind of detail which we would like - to allow us to answer basic questions concerning exactly when and and what conditions the stars formed. However, a new generation of 10 meter class telescopes is currently coming on line all around the world so these issues are among those which these telescopes will concentrate.

The last 10 billion years or so of the developments in galaxies and in their stellar content is now quite well studied because of the Hubble Space Telescope, which was able to obtain clear images of these distant galaxies for the first time. Figure 1.5 shows early galaxies in the (confused) process of forming. One shouldn't forget that these knots of light are due to billions of stars forming, more or less at the same time.


Figure 1.5: Snapshot of very distant galaxies apparently in the early stages of formation. The galaxies have not yet settled into mostly regular forms we see in nearby galaxies, but are very irregular in morphology.

The space telescope has recently allowed the construction of a sequence of typical galaxy images over time (see figure 1.6). The general picture is that galaxies have been forming over quite a few billion years, are continuing to form and develop still, and seem to have been assembled from many smaller sub-galaxies.


Figure 1.6: Sequence of images of galaxies over the last 12 billion years. For the last 5 billion years or so, almost all galaxies can be classified neatly into two types - spiral and elliptical. In the early times, the ``irregular galaxies'' (only rarely seen today) become dominant, indicating that the galaxies are still forming.

1.1.3 Star formation

In the proto-galactic units the dominant process is that of star formation itself. We know that star formation takes place in giant collapsing clouds of gas, and can take place under a wide range of circumstances which result in stars being formed at a slow rate (such as most nearby regions of star formation in our own galaxy) or hundreds to thousands of times faster (such as in the compressed gas clouds which result when galaxies are disturbed or actually collide). However, the process by which clouds actually fragment and collapse into individual stars has long been a very poorly understood area of Astronomy, and remains almost as obscure today as it was 30 years ago. This is an area of research whose time has not yet come!

Hubble has revealed higher resolution images of star forming regions, which at least show some of the complexities of the physical processes involved.


Figure 1.7: Part of the M16 nebula, showing gas and dust clumps cocooning new born stars. The stars will take several million years to emerge from their incubation sites

Figure 1.7 shows columns of cool interstellar hydrogen gas and dust that are also incubators for new stars. The pillars protrude from the interior wall of a dark molecular cloud like stalagmites from the floor of a cavern. They are part of the ``Eagle Nebula'' (also called M16), a nearby star-forming region 7,000 light-years away in the constellation Serpens. The pillars of gas are dense gas which has survived being ``eroded'' away by the light of hot UV stars nearby, and the small blobs are even denser regions where it is very likely that stars themselves are actually forming. They'll emerge from the cocoons in which they are incubating millions of years from now, and for the moment are so heavily shrouded by dust that we cannot see them at all with optical light. Infrared light (heat) which does escape from the regions is the main clue that energetic processes are taking place. Figure 1.8 shows how different images in optical (on the left) and infrared (on the right) of the same region in the Orion Nebula can be.


Figure 1.8: Optical (left) and infrared (IR) image (right) of a region of the Orion nebula, taken with the Space Telescope. In the infrared, stars are seen which are quite invisible in the optical. IR radiation can penetrate the clouds of dust surrounding the young stars which are forming in Orion

The star forming regions can be very large, sometimes occupying a major section of an entire galaxy, such as seen in figure 1.9.


Figure 1.9: Star forming region in the galaxy NGC2363. The region occupies a major fraction of the entire galaxy, showing that the processes by which galaxies develop need not be smooth and regular. Interaction between galaxies is one cause of major star formation events like this

Out of these star forming regions star eventually emerge - often ``en mass'' in giant clusters of up to a million stars at once. An example of this is seen in the giant star forming complex 30Dor in the Large Magellanic Cloud, a galaxy nearby to our own (see figure 1.10).


Figure 1.10: A cluster of several thousand new-born stars has recently emerged from a star forming gas cloud in 30 Dor in the Large Magellanic Cloud.

Clusters of stars which we can see forming like this might end up as what we know today as ``globular clusters'' of our own Galaxy - millions of stars tightly bound by their own gravity which have survived from the earliest times when our galaxy was forming.

1.1.4 Timeline

A timeline of the processes of gravitational collapse in the Universe, the formation of galaxies and stars, and the formation of our own Galaxy (the Milky Way), Sun and Earth is shown in figure 1.11.


Astronomers see first hint of the silhouette of a spaghettified star

For decades astronomers have been spotting bursts of electromagnetic radiation coming from black holes. They assumed those are the result of stars being torn apart, but they have never seen the silhouette of the actual material ligaments. Now a group of astronomers, including lead author Giacomo Cannizzaro and Peter Jonker from SRON Netherlands Institute for Space Research/Radboud University, has for the first time observed spectral absorption lines caused by strands of a spaghettified star. Publication in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Most stars in our universe die of natural causes. They either blow off their outer shells, or simply cool down due to fuel shortage, or they could go out with a bang in a giant supernova explosion. But stars living in the inner region of their galaxy might not be so lucky. They are in danger of getting torn into slim filaments by the supermassive black hole that lurks in the center of most galaxies. The extreme gravity of the black hole pulls so much harder at one side of the star than at the other side that it rips the star apart. Astronomers like to call this process spaghettification, but in scientific publications they reluctantly stick with the official term Tidal Disruption Event.

After a star has transformed into a spaghetti strand, it falls further into the black hole, emitting a short burst of radiation. Astronomers have spotted these bursts for decades now, and based on the theory they assumed that they were looking at Tidal Disruption Events. But they have never seen the actual material ligaments, as in a physical object that not only emits but also blocks light. Now an international team of astronomers has for the first time observed spectral absorption lines while looking at one of the poles of a black hole. It was already evident that black holes can have a disk of accreted material around their equator, but absorption lines above a black hole's pole suggest there is a long strand wrapped many times all around the black hole, like a yarn ball: the actual material ligament from a freshly torn star.

The researchers know the black hole is facing them from its pole because they detect X-rays. The accretion disk is the only part of a black hole system that emits this type of radiation. If they were looking edge-on, they wouldn't see the accretion disk's X-rays. "Moreover the absorption lines are narrow," says lead author Giacomo Cannizzaro (SRON/Radboud University). "Non vengono ampliati dall'effetto Doppler, come ti aspetteresti quando guardi un disco rotante".

More information: G Cannizzaro et al. Accretion disc cooling and narrow absorption lines in the tidal disruption event AT 2019dsg, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab851


Guarda il video: Stephen Hawking. La Teoria del tutto (Dicembre 2021).