La galassia che la Via Lattea inghiottì quando aveva un miliardo e mezzo di anni

Dodici ammassi globulari nel cuore della nostra galassia conservano la firma di una fusione avvenuta 12,3 miliardi di anni fa. A identificarla è stato un team guidato dall'INAF di Bologna, che ha trasformato l'età degli ammassi in un orologio abbastanza preciso da mettere in fila gli eventi.

Introduzione

Le galassie non nascono fatte e finite. Crescono divorandosi a vicenda, e la Via Lattea non fa eccezione. Il problema però, per chi prova a ricostruire questa storia, è che le prove del delitto vengono cancellate in fretta: le stelle strappate a una galassia più piccola si mescolano con quelle della galassia più grande, le loro orbite vengono rimescolate dalla barra centrale della galassia, e dopo qualche miliardo di anni distinguere le une dalle altre diventa quasi impossibile.

Fino a oggi la ricostruzione affidabile si fermava a circa 10 miliardi di anni fa, con la fusione battezzata Gaia-Sausage-Enceladus, o GSE (nella forma abbreviata usata anche dall'INAF, «Gaia-Enceladus»). Nella comunità scientifica molti ricercatori sospettavano che qualcosa di grosso fosse già avvenuto ma le prove restavano contestate.

Uno studio pubblicato il 17 agosto su Nature Astronomy, guidato da Davide Massari dell'Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio dell'INAF di Bologna, sposta l'orizzonte indietro di altri 1,8 miliardi di anni.

La galassia nana responsabile è stata chiamata Low-energy-Kraken-Heracles, in sigla LKH, e la sua fusione con la Via Lattea risale a circa 12,3 miliardi di anni fa, quando l'Universo aveva poco più di un miliardo di anni.

Il lavoro nasce nell'ambito di CARMA, acronimo di Cluster Ages to Reconstruct the Milky Way Assembly, un progetto guidato dall'INAF che punta a datare l'intero sistema di ammassi globulari della Via Lattea con precisione omogenea. Alla ricerca hanno collaborato, oltre all'INAF di Bologna e all'Università degli Studi di Bologna, l'atlanTTic dell'Università di Vigo, l'Universidad de La Laguna e l'Instituto de Astrofísica de Canarias in Spagna, l'INAF (con le sue sedi dell’Osservatorio astronomico d'Abruzzo e Roma), la Liverpool John Moores University nel Regno Unito e lo Space Telescope Science Institute di Baltimora, che gestisce le osservazioni del telescopio spaziale Hubble.

Orologi che nessuno aveva ancora tarato bene

La chiave di tutto lo studio non è rappresentata da un nuovo telescopio ma sono proprio gli ammassi globulari. Si tratta di agglomerati sferici composti da centinaia di migliaia di stelle che sono nate tutte insieme, dallo stesso gas, nello stesso momento.

Questa contemporaneità rende tali agglomerati degli strumenti di datazione molto più affidabili delle singole stelle: invece di leggere un singolo orologio, gli scienziati ne leggono centomila tutti sincronizzati fra loro.

Ogni ammasso porta con sé due informazioni. La prima è l'età e la seconda è la metallicità (cioè l'abbondanza di elementi più pesanti di idrogeno ed elio). Messe insieme, queste due grandezze tracciano quella che gli astronomi chiamano relazione età-metallicità, o AMR dall'inglese age-metallicity relation. Tale relazione funziona come se si trattasse di una firma calligrafica: ogni galassia arricchisce il proprio gas a un ritmo che la contraddistingue, e l'oggetto che è nato al suo interno eredita tale firma.

Il gruppo di ricercatori ha analizzato con lo stesso identico metodo le immagini raccolte dal telescopio spaziale Hubble secondo due filtri ottici, F606W e F814W, per 17 ammassi delle regioni interne della Via Lattea, portando a 39 il totale degli ammassi con età determinate in modo omogeneo. È qui che sta il vero salto. Correggendo l'arrossamento differenziale (ossia la variazione spaziale dell'assorbimento della luce stellare) ripulendo i campi dalle stelle di sfondo grazie ai moti propri e lasciando liberi nel fit parametri che in passato venivano fissati, gli autori hanno ottenuto incertezze medie di 0,26 miliardi di anni. Per confronto, sugli stessi ammassi due lavori di riferimento precedenti si fermavano a 0,91 e 0,43 miliardi di anni. Un fattore 3,5 e un fattore 1,6 di guadagno.

Con orologi così, le firme si separano e aumenta di molto l'accuratezza delle misurazioni.

Tre stirpi, non due

Per capire quanti progenitori servissero a spiegare i dati, il team ha usato un modello bayesiano che confronta ipotesi alternative pesandone le probabilità. Due progenitori, tre, quattro. Il caso con tre esce vincitore in modo netto contro quello con due, e in modo più sfumato rispetto a quello con quattro progenitori.

Nel piano età-metallicità compaiono così tre sequenze distinte. Una appartiene alla Via Lattea originaria, quella nata in casa. Una appartiene a GSE. E in mezzo, chiaramente separata da entrambe, ne resta una terza, tracciata da 12 ammassi: NGC 4833, NGC 5286, NGC 5986, NGC 6093, NGC 6121, NGC 6144, NGC 6254, NGC 6256, NGC 6453, NGC 6535, NGC 6541 e NGC 6681.

Quattro di questi hanno un nome che molti appassionati conoscono già: NGC 6121 è M4 nello Scorpione, NGC 6093 è M80 sempre nello Scorpione, NGC 6254 è M10 nell'Ofiuco e NGC 6681 è M70 nel Sagittario. Gli altri otto restano oggetti da catalogo, distribuiti fra Mosca, Centauro, Lupo, Scorpione, Serpente e Corona Australe.

Sono ammassi che non possono essersi formati né nella Via Lattea né in GSE, e le loro proprietà dinamiche li tengono insieme come gruppo. Da qui la conclusione: gli ammassi appartenevano a una terza galassia, oggi scomparsa.

Il nome scelto è un atto di onestà bibliografica. «Low-energy» richiama il gruppo di ammassi a bassa energia orbitale identificato nel 2019, «Kraken» la fusione prevista dalle simulazioni nel 2020, «Heracles» la popolazione stellare individuata nel bulge nel 2021, il rigonfiamento centrale della Via Lattea: la Galassia, vista di taglio, ha la forma di un uovo fritto, con un disco sottile di stelle e gas che si estende in periferia e un nucleo denso e sferico al centro, il bulge appunto, dove la maggior parte delle stelle più antiche si è accumulata nel corso di miliardi di anni.

Per anni si è discusso se questi tre indizi fossero, in realtà, la stessa cosa. Il paper precisa che 10 ammassi su 11 del vecchio «Low-energy group» (Massari 2019) coincidono con LKH, una sovrapposizione che rende concreto il debito verso quel primo lavoro. Ora, secondo gli autori, la questione è chiusa.

Perché conta più di GSE

Il dato che colpisce non è la massa in sé. LKH aveva una massa stellare dell'ordine di 500 milioni di masse solari, paragonabile a quella di GSE. Conta il rapporto, perché 12,3 miliardi di anni fa la Via Lattea era ancora molto più piccola di quanto sarebbe diventata. Il rapporto di massa della fusione doveva quindi essere superiore a quello di GSE, cioè maggiore di 0,2-0,3.

Detto altrimenti: se GSE fu un impatto capace di gonfiare il disco spesso della nostra galassia, LKH fu proporzionalmente ancora più pesante. La neonata Via Lattea non stava crescendo per conto proprio, si stava costruendo con materiale esterno.

«Siamo partiti dall'ambizione di ricostruire la storia di assemblaggio della Via Lattea, cioè tutti gli eventi di fusione galattica che l'hanno portata al suo aspetto attuale», spiega Davide Massari, ricercatore dell'INAF e primo autore dell'articolo. «Come traccianti abbiamo usato gli ammassi globulari: soprattutto nelle zone interne della galassia, dove l'estinzione è altissima, sono gli unici oggetti per cui possiamo ottenere misure eccellenti sia del movimento orbitale sia dell'età» prosegue il ricercatore.

A convincere il team che tre progenitori spiegassero i dati meglio di due o quattro è stata l'analisi statistica. «L'analisi statistica indica proprio nello scenario a tre progenitori quello di gran lunga più probabile», commenta Cristiano Fanelli, ricercatore dell'INAF e coautore dello studio.

I detriti sono finiti quasi tutti entro 6.000 parsec dal centro galattico (poco meno di 20.000 anni luce, la stessa distanza espressa in due unità diverse), cioè nella regione del bulge. Non è però materiale invisibile dalla poltrona di casa: M4 è uno degli ammassi globulari più vicini a noi, poco più di 1,8 kiloparsec, e nelle notti estive si trova con un binocolo accanto ad Antares. Se lo studio ha ragione, non è nato nella nostra Galassia. Vale lo stesso per M80, a quattro gradi di distanza nello stesso campo di cielo, e per M10, che d'estate si osserva nell'Ofiuco insieme al vicino M12.

«Questo lavoro ci dice cos'è successo alla Via Lattea nella sua infanzia. Porta infatti alla luce un evento particolarmente rilevante che ha influenzato l'intera evoluzione successiva della galassia. Se una delle grandi domande dell'umanità è "da dove veniamo?", noi offriamo almeno un tassello della risposta», aggiunge Chiara Zerbinati, dottoranda presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università degli Studi di Bologna, che ha lavorato al progetto già durante la propria tesi di laurea magistrale.

Cosa resta aperto

Ci sono avvertenze che gli autori mettono nero su bianco e che vale la pena non perdere per strada.

Le età misurate sono relative, non assolute. La scala dipende dai modelli stellari adottati, e infatti nel lavoro compaiono età superiori a quella dell'Universo: non si tratta di un paradosso, è il segno che quei numeri vanno letti come distanze temporali fra un ammasso e l'altro, non come date sul calendario. Anche la cifra di 12,3 miliardi di anni nasce ancorando la sequenza a un valore di riferimento esterno per GSE, ed è per questo che altre fonti riportano circa 11,8 miliardi di anni: cambia l'ancora, cambia il numero assoluto, resta identico l'intervallo di 1,8 miliardi di anni fra i due eventi.

Anche la massa di LKH va presa con la stessa cautela. Il risultato solido è che era simile a quella di GSE, non che valesse esattamente 500 milioni di masse solari.

Infine, gli autori non escludono che nella stessa epoca siano arrivati altri progenitori più piccoli, privi di ammassi globulari o con ammassi ormai completamente disgregati. LKH è il contributo più massiccio identificabile, non necessariamente l'unico.

A sostegno dello scenario fin qui descritto, le tre sequenze osservate vengono riprodotte da diverse galassie simili alla Via Lattea nelle simulazioni cosmologiche Auriga. La verifica successiva arriverà dalle età stellari precise su grandi campioni, in particolare dall'asterosismologia della missione PLATO dell'ESA.