Il più antico ammasso globulare della Via Lattea

Gli ammassi globulari sono tra le più antiche strutture dell’universo e quindi sono formati da stelle molte vecchie con un basso contenuto di elementi chimici diversi dall’idrogeno ed elio primordiali. Gli astrofisici (con grande disappunto dei chimici) definiscono cumulativamente questi elementi come “metalli”, mentre il loro tenore nelle atmosfere stellari è detto “metallicità”.

La metallicità è un parametro per stimare l’età di un sistema stellare nel suo insieme ed è direttamente proporzionale al numero di generazioni stellari che si siano succedute.

Conosciamo un centinaio di stelle con metallicità circa un millesimo di quella solare. Una dozzina di esse sono concrete candidate a essere tra le stelle più vecchie conosciute, esibendo una metallicità quasi nulla. Tuttavia è quel “quasi” a dirci che, pur con un valore estremamente basso, queste stelle non sono le fantomatiche di Popolazione III, cioè quelle nate direttamente dal gas derivato dal Big Bang, bensì tre le prime esponenti della generazione successiva, nate nel gas arricchito.

Le prime stelle

Queste stelle a ultra-bassa metallicità, popolano l’alone galattico, vale a dire il volume di spazio vagamente sferico intorno al centro della Via Lattea. Esse non formano strutture autonome, come invece fanno gli ammassi globulari che aggregano (mediamente) decine migliaia di stelle. Le stelle che compongono gli ammassi globulari si sono formate contemporaneamente e dalla stessa nube di gas. Questi ultimi presentano metallicità tipiche non inferiori allo 0,2% di quella solare e anche l’alone, nel suo insieme, esibisce un valore simile. Questo significa che l’età media è comparabile a quella degli ammassi globulari, cioè intorno a 12-13 miliardi di anni.

Adesso un gruppo internazionale di astronomi (tra cui Carmela Lardo e Alessio Mucciarelli dell’Università di Bologna e David S. Aguado dell’Università degli Studi di Firenze), mediante uno studio guidato da Nicolas Martin dell’Osservatorio Astronomico di Strasburgo [Nature 601, 45–48 (2022)], ha annunciato la scoperta di un flusso stellare riconducibile alla disgregazione di un ammasso globulare avente una metallicità media inferiore allo 0,05% di quella solare. Un valore così basso non era mai stato misurato in una struttura organizzata che, a buon diritto, può essere considerata una delle più antiche testimonianze riguardanti la formazione della galassia.

Un successo dell’archeologia galattica

Secondo certi modelli, oggetti del genere non dovrebbero più esistere perché scomparsi da qualche tempo. La scoperta rappresenta uno dei maggiori successi di quella branca dell’astronomia detta archeologia galattica ed è fondamentale per la nostra comprensione di come si formarono le stelle nell’Universo primordiale.

Chiamato C-19, può essere considerato l’ammasso globulare a più bassa metallicità sinora scoperto. Il gruppo di stelle è stato individuato in una regione molto periferica della Via Lattea, a una distanza di circa 58mila anni luce, ma segue un’orbita molto eccentrica tra 20 e 90mila anni luce dal centro galattico. Le stelle formano una struttura allungata in cielo per circa 30 diametri lunari (circa 15°) nella costellazione australe della Poppa. La larghezza è invece di circa 600 parsec (circa 2° in cielo) ed è alquanto atipica per un flusso riconducibile a un ammasso globulare.

Secondo gli autori può essere spiegato come un effetto di diffusione indotto dalla Via Lattea oppure che l’ammasso sia giunto al seguito di un’antica galassia nana ospite poi catturata e distrutta. Quelle rilevate sono comunque dimensioni minime ed è probabile che la struttura si estenda molto più nello spazio.

Il flusso è invisibile a occhio nudo e sarebbe stato pressoché impossibile individuarlo senza ricorrere a complessi strumenti di analisi numerica in grado di discriminare, tra milioni di sorgenti, quelle che manifestano caratteri simili. Un valido strumento, con cui sono stati scoperti un gran numero di flussi stellari e l’algoritmo chiamato Streamfinder di cui si sono serviti gli autori della scoperta per riconoscere le sue stelle tra i preziosissimi Data Release 3 di Gaia.

La struttura più povera di metalli conosciuta nell’Universo

“Sono così felice di poter finalmente condividere i risultati su cui stiamo lavorando da un anno. È pura archeologia galattica, trovare i fossili/resti di strutture stellari che si sono formate nell’Universo primordiale!” ha dichiarato con comprensibile entusiasmo Martin. “Abbiamo trovato la struttura stellare più povera di metalli ora conosciuta nell’Universo, il residuo di un ammasso globulare che è significativamente più povero di metalli di qualsiasi ammasso globulare conosciuto, con un ampio margine. Con [Fe/H]=3,38±0,06, significa che la sua frazione in elementi pesanti è 1/2500 di quella del Sole!” ci ha spiegato.

Non appena sono stati pubblicati i nuovi dati, nel dicembre 2020, il gruppo si è messo alla ricerca di raggruppamenti di stelle che seguono la stessa orbita. La ricerca ha portato alla scoperta di alcuni nuovi flussi stellari nell’alone galattico principalmente formato da stelle di galassie nane e ammassi globulari completamente distrutti molti miliardi di anni fa.

Parallelamente, il gruppo sta conducendo un sondaggio denominato Pristine per mappare il cielo della Via Lattea con il Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT). Usando un filtro particolare che si concentra in una regione specifica dello spettro per stabilire in modo efficiente ed economico la metallicità di decine milioni di stelle. Più debole è la caratteristica misurata, più l’oggetto è povero di metalli. Combinando i dati di Gaia e Pristine è stato scoperto che C-19 esibisce la metallicità più bassa mai registrata in qualsiasi flusso stellare.

Osservazioni più accurate, eseguite con i telescopi Genini North e Grand Telescopio Canarias (GTC) nelle Isole Canarie, hanno permesso di ottenere spettri accurati per nove stelle nel campione. Tutte manifestavano la stessa metallicità estremamente bassa.

Le osservazioni al telescopio Gemini, attraverso lo spettrografo a fibra ottica Graces, suggeriscono che l’ammasso deve essersi formato da materiale prodotto da stelle davvero molto antiche, di poco posteriori alle primissime. C-19 è un testimone della formazione di stelle e ammassi stellari sorti poco dopo il Big Bang e fornisce un laboratorio naturale vicinissimo, praticamente locale, in cui studiare tali reliquie del giovane Universo.

Ammasso globulare o galassia nana?

Secondo gli autori, tutte le stelle indagate in dettaglio esibiscono la stessa metallicità con il contenuto o assenza di sodio e magnesio in quantità tipiche delle stelle negli ammassi globulari. C-19 è tuttavia significativamente differente da tutti gli altri ammassi globulari e lo era anche in passato e appare appena più ricco di metalli rispetto alla nana Phoenix, scoperta nel sondaggio S5.

C-19 è importante perché aiuterà a perfezionare i modelli di formazione delle prime strutture dell’Universo. “Riteniamo che la maggior parte delle stelle si formi in ammassi, ma i modelli hanno problemi a formare ammassi poveri di metalli come C-19” ha aggiunto Martin. Ovviamente mancano ancora alcuni passaggi per comprendere tale processo. L’esistenza stessa del flusso dimostra che gli ammassi globulari e i primi mattoni della Via Lattea si formarono in ambienti a basso contenuto di metalli, prima che generazioni successive di stelle fornissero all’Universo elementi più pesanti.

“È eccitante trovare qualcosa di nuovo, specialmente qualcosa che sfida la nostra comprensione della formazione di stelle e galassie nell’Universo primordiale. Questa scoperta inaspettata è esattamente il tipo di cosa che attira le persone nella ricerca scientifica in primo luogo: curiosità e meraviglia” ha detto Kim Venn, direttore dell’Astronomy Research Center (ARC), è il corresponsabile del team internazionale che ha trovato C-19. “Siamo tutti entusiasti di essere parte della scoperta di questo anello mancante come parte di una collaborazione internazionale” ha poi aggiunto.

Qualcosa non torna

Questa scoperta implica che i cosmologi devono ripensare alcune opinioni riguardanti l’Universo primordiale e la successione dei vari eventi, come il tempo in cui si formarono le stelle di Popolazione III. Si è sempre ritenuto che le prime stelle abbiano significativamente arricchito di elementi pesanti il giovane Universo, abbastanza da creare il cosiddetto “fondo di metallicità”, prima che si potessero formare galassie e ammassi stellari. Quel valore di fondo è superiore alla metallicità di C-19: qualcosa non torna.

Potrebbero essere stati ammassi come questo i più antichi mattoni da cui ha iniziato ad assemblarsi la Galassia? La risposta potrebbe giungere dalle future e profonde osservazioni con il James Webb Space Telescope che avrà la capacità di osservare strutture e oggetti risalenti al primissimo Universo.