Lo studio, condotto da ricercatori del Max Planck Institute for Astronomy e pubblicato su Nature Astronomy, è importante per la nostra comprensione del cosmo: consente un nuovo tipo di confronto tra la Via Lattea e le molte galassie lontane che osserviamo dall'esterno.

I telescopi che ci forniscono immagini e spettri di luce ma come apparirebbe la Via Lattea da una prospettiva simile? Ora la nostra tecnologia si è evoluta a un punto tale che possiamo iniziare a formulare una risposta. Ci sono state indagini, come APOGEE, che hanno fornito informazioni sulla composizione chimica, le proprietà fisiche e i movimenti 3D di milioni di singole stelle nella Via Lattea dedotte dai loro spettri. La navicella spaziale Gaia dell'ESA ha tracciato la luminosità, il movimento e la distanza di quasi 1,5 miliardi di stelle nella nostra galassia. Ci sono anche molti più dati e informazioni più dettagliate per le galassie lontane. L'indagine MaNGA ha studiato in profondità quasi 10.000 galassie. Laddove i precedenti sondaggi mirati a molte galassie avrebbero fornito solo uno spettro complessivo per galassia, MaNGA dipinge un "quadro spettrale", mostrando come, ad esempio, la composizione chimica di ciascuna galassia varia dal centro alle regioni esterne. Inoltre, ora riusciamo a ottenere simulazioni sempre più precise sulla formazione e sull'evoluzione delle galassie.

I risultati di questa nuova ricerca forniscono parte della risposta alla vecchia domanda su quanto sia speciale la nostra galassia natale e hanno dimostrato che, almeno quando si tratta di composizione chimica, la Via Lattea è insolita ma non unica.
"Trovare modi per confrontare la nostra galassia natale con galassie più lontane è ciò di cui abbiamo bisogno se vogliamo sapere se il La Via Lattea è speciale o no. Questa è stata una questione aperta da quando gli astronomi si sono resi conto cento anni fa che la Via Lattea non è l'unica galassia dell'universo", ha detto nel comunicato l'autore principale del documento Jianhui Lianin, del  Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, Germania.


Prospettiva aliena

Nello specifico, Lian e colleghi hanno considerato la composizione chimica delle stelle.
Le stelle che vediamo intorno a noi sono costituite principalmente di idrogeno ed elio ma ci sono anche elementi più pesanti che, in astronomia (ma non nella chimica ordinaria!) sono chiamati "metalli". Alcuni di questi vengono prodotti all'interno delle stelle e lanciati nello spazio quando le stelle massicce esplodono alla fine della loro vita. Altri sono prodotti negli strati esterni di stelle giganti rigonfie. Ma c'è una tendenza generale: la concentrazione dei metalli nel mezzo interstellare, la miscela a bassa densità di gas e polvere che riempie lo spazio tra le stelle, aumenta nel tempo. Le stelle nate prima contengono meno metalli, le stelle nate più tardi ne contengono di più. Mappare quali regioni di una galassia hanno stelle con meno o con più metalli ci dice quale regione ha formato le sue stelle prima e quale dopo.

La nostra galassia natale, la Via Lattea, è attualmente l'unica galassia a spirale in cui possiamo effettuare direttamente un'indagine su larga scala delle singole stelle: misurare le loro posizioni all'interno della nostra galassia e, tramite i loro spettri, il loro contenuto di metalli, la temperatura superficiale e altre proprietà. Il team ha quindi deciso di ricostruire ciò che gli astronomi alieni vedrebbero se dovessero mappare la prevalenza dei metalli nella Via Lattea. I dati del sondaggio APOGEE erano solo il punto di partenza.

APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) raccoglie spettri infrarossi per effettuare un'indagine sistematica di tutte le parti della Via Lattea utilizzando criteri di selezione omogenei. Con lo strumento APOGEE, vengono acquisiti 300 spettri (compresi sia i target scientifici che quelli di calibrazione) alla volta. Il principale prodotto di questo sondaggio sono le osservazioni in tempi diversi dello stesso campo visivo per consentire l'identificazione di stelle binarie attraverso il rilevamento delle loro variazioni di velocità radiale.

 I ricercatori avevano quindi bisogno di combinare questi dati con quelli della polvere interstellare che, dalla Terra, "sfuma" la vista di alcune zone della Via Lattea.


"Cintura" ad alta metallicità

I risultati sono stati alquanto sorprendenti. Seguendo il contenuto medio di metallo dalle stelle dal centro della galassia verso l'esterno, questo aumenterà, raggiungendo valori simili a quelli del nostro Sole a una distanza di circa 23.000 anni luce dal centro (il Sole si trova a circa 26.000 anni luce dal centro galattico). A una distanza ancora maggiore, il contenuto medio di metallo scende nuovamente, arrivando a circa un terzo del valore solare a circa 50.000 anni luce. dal centro.

Per capire cosa stesse succedendo, i ricercatori hanno quindi esaminato separatamente le stelle di diversi gruppi di età (gli spettri APOGEE consentono almeno una stima approssimativa dell'età stellare).
Osservando separatamente le stelle più giovani e più anziane, il team scoperto che ogni gruppo di età segue sostanzialmente una tendenza omogenea che va da metallicità più alte vicino al centro galattico, fino a metallicità più basse andando verso l'esterno. L'aumento e il massimo della distribuzione complessiva era puramente un'illusione dovuta al fatto che le stelle più vecchie (con un contenuto di metallo molto inferiore) sono più abbondanti vicino al centro della Via Lattea e quindi abbassano la media complessiva. Più lontano, invece, diventano più frequenti le stelle più giovani.


Confronto

Lian, Bergemann e colleghi hanno quindi confrontato questo interessante risultato con le proprietà di altre galassie.

Da un lato, hanno considerato 321 galassie nell'indagine MaNGA, tutte con masse simili alla Via Lattea, che producono quantità simili di stelle e tutte visibili frontalmente, per cui è stato possibile misurare il cambiamento della metallicità media. D'altra parte, i ricercatori hanno utilizzato gli stessi criteri per identificare 134 galassie simili alla Via Lattea nella simulazione cosmologica TNG50. Questo progetto mira a scoprire i processi fisici che guidano la formazione delle galassie: capire quando e come le galassie si evolvono nelle strutture che si osservano nel cielo notturno e fare previsioni per i programmi di osservazione attuali e futuri. Le simulazioni utilizzano un codice numerico all'avanguardia che include un modello fisico completo e funzionano su alcuni dei più grandi supercomputer del mondo. Il progetto include tre esecuzioni principali che coprono una gamma di volumi e risoluzioni; questi sono chiamati TNG50, TNG100 e TNG300.

I risultati hanno mostrato che quando si tratta della distribuzione dell'abbondanza di metalli, la nostra Via Lattea è insolita ma non unica. Solo l'11% delle galassie nel campione TNG50 e circa l'1% delle galassie nel campione MaNGA hanno mostrato un simile andamento della metallicità media. "La discrepanza tra l'11% e l'1% è probabilmente dovuta a una combinazione di incertezze nei dati MaNGA e alla limitazione delle simulazioni realistiche nell'universo del modello TNG50", spiega il comunicato.

Inoltre, nelle regioni esterne, la diminuzione della metallicità media con l'aumentare della distanza dal centro è piuttosto più ripida per la Via Lattea, rispetto alle galassie MaNGA e TNG50.

Maria Bergemann, co-autrice del documento, ha commentato: “I risultati sono molto entusiasmanti! Questa è la prima volta che possiamo confrontare in modo significativo il contenuto chimico dettagliato della nostra Galassia con le misurazioni di molte altre galassie. I risultati sono importanti per la prossima generazione di studi completi sulla formazione delle galassie. Questi studi utilizzeranno i dati dei prossimi programmi di osservazione su larga scala mirati alla Via Lattea o a galassie lontane. La nostra ricerca mostra come combinare in modo sensato i due tipi di set di dati”.
"Un'interessante direzione di ricerca sarebbe provare a misurare più elementi chimici", ha detto Bergemann. "Ad esempio, l'ossigeno, un elemento chiave per la vita sulla Terra, può essere misurato anche in altre galassie, e presto avremo molti dati per l'evoluzione chimica dell'ossigeno nella Via Lattea, ad esempio da 4MOST [all'Osservatorio Paranal in Cile.] Un altro elemento potenzialmente cruciale è il carbonio".