Ecco la migliore sequenza temporale della Via Lattea. La sua età potrebbe sorprenderti

• perché è così difficile determinare l’età della Via Lattea, così come le singole stelle,
• Quali strumenti usano gli astronomi per stimare l’età?
• perché le misurazioni della distanza sono così importanti per la stima dell’età
• come è stato creato il database spaziale più accurato PESEL,
• cosa ci ha detto l’età delle stelle sull’evoluzione della Via Lattea e perché è stata una sorpresa.

L’età della Via Lattea non è così ovvia

Nel caso della scienza, il più problematico per la gente comune non è l’uso di fatti e figure note, ma la loro logica e corretta fondatezza. Il nostro Sole ha 4,5 miliardi di anni, ma questa età, determinata principalmente dalle analisi dei più antichi meteoriti trovati, non significa che la Via Lattea sia così antica.

Il Sole, infatti, è una stella formatasi successivamente nel periodo di esistenza della Galassia, da materia già “digerita” da stelle massicce e non più esistenti. La Via Lattea è più antica del Sole. La domanda è quanto sia più vecchio e come gli astronomi possano determinarlo con precisione. Possiamo giudicarlo determinando l’età delle stelle lontane.

Il sole e la sua posizione nella galassia. Il centro della Via Lattea dista circa 26.000 anni luce.

Perché è difficile giudicare l’età di una star media? E come lo affrontiamo?

La maggior parte delle singole stelle sono oggetti che si trovano nella fase standard dell’evoluzione. Questa fase rappresenta spesso più del 90% della loro vita, un periodo in cui le proprietà delle stelle non cambiano in modo significativo. In altre parole, una giovane stella può apparire agli astronomi come una stella prossima al pensionamento.

Risolviamo questo problema osservando non le singole stelle, ma i loro ammassi. Questi sono gruppi di oggetti creati contemporaneamente. Quindi un’analisi statistica di molte stelle, che possono essere suddivise in evolutivamente avanzate ed età, fornisce stime più accurate per il resto delle stelle. 

Quali strumenti usano gli astronomi per misurare l’età delle stelle?

Un metodo simile al sole è fuori questione, perché non possiamo studiare la materia da sistemi stellari lontani. Questo potrebbe sorprenderti, ma solo per il Sole possiamo determinare l’età con un alto grado di certezza.

Per le altre stelle si tratta delle conoscenze acquisite osservandole nei telescopi combinando questi dati con modelli teorici che descrivono l’evoluzione di stelle con una data composizione chimica e massa. Da tali modelli, possiamo anche dedurre per quanto tempo esisterà il nostro Sole.

E sì, possiamo determinare la temperatura di una stella (questo è dovuto al suo colore) e alla sua luminosità, e poi inserirla nel cosiddetto diagramma HR (Hertzsprung-Russell). Ogni stella in un tale diagramma segue un percorso evolutivo, quindi la sua posizione ti consente di valutare in quale fase della vita si trova. Nel caso delle stelle ordinarie, questa è ancora una stima imprecisa. Solo per le vecchie stelle l’errore di stima dell’età diventa insignificante, poiché gli ultimi stadi dell’evoluzione durano molto poco sulla scala temporale cosmica.

Grafico HR generale che mostra la posizione del sole. La sequenza principale sono le posizioni delle stelle in una fase fondamentale dell’evoluzione.

Gli astronomi effettuano anche osservazioni sulla velocità di rotazione delle stelle, osservazioni di piccoli cambiamenti nella luminosità delle stelle, che sono un’indicazione di ciò che sta accadendo al loro interno e allo stesso tempo sono associati all’età. Tuttavia, i dubbi sulla correttezza di questi e altri metodi sorgono ancora quando si osservano oggetti che sfuggono ai modelli generalmente accettati. Anche il nostro sole porta tali sorprese.

Qui possono essere utili anche le osservazioni dei sistemi planetari extrasolari. Non si tratta solo di trovare una seconda Terra o semplicemente di aumentare le statistiche planetarie. Ma anche per ricavare da queste osservazioni nuovi fatti su come le proprietà attualmente osservate delle stelle dovrebbero essere correlate alla loro età. Nel caso della Galassia, le distanze sono così piccole che il ritardo associato alla velocità finita della luce è irrilevante.

Distanze dalle stelle. Qui è importante definirli correttamente.

I modelli teorici di come una stella dovrebbe comportarsi e guardare le diverse fasi della sua evoluzione stanno diventando sempre più perfetti. Computer veloci e una grande quantità di memoria facilitano la risoluzione di vari enigmi legati all’evoluzione, tenendo conto di un numero crescente di parametri, il che è molto importante quando si vuole affinare un modello specifico dell’evoluzione di una stella con una data massa e composizione.

Tuttavia, per quanto accurati siano questi modelli, la loro corretta applicazione a determinate stelle (gruppi di stelle) richiede una buona conoscenza delle loro distanze. Sì, gli astronomi registrano gli spettri delle stelle, la loro luminosità a diverse lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica, ma questi sono valori osservati. In altre parole, dipende dalla distanza. Non potremo stimare la potenza di una lampadina solo misurandone la luminosità in un luogo prescelto. Devi sapere quanto dista la lampada dal punto di misurazione. In questo caso, la lampadina è una stella.

Gli astronomi hanno bisogno di una misura assoluta della luminosità di una stella, tenendo conto sia della luminosità osservata che della distanza. Se la distanza è determinata in modo errato, la luminosità effettiva della stella verrà stimata in modo errato. Ciò significa che lo correlare erroneamente con i modelli esistenti e ottenere una stima dell’età errata. Questo, infatti, comporterà un errore nella stima dell’età della nostra galassia. Supponendo, ovviamente, che le stelle abbiano iniziato a formarsi più o meno nello stesso periodo della Via Lattea.

Tali errori possono anche essere significativi su scala più ampia nelle osservazioni intergalattiche, ma sono anche un argomento diverso dall’età delle galassie.

La fonte dei migliori dati sulle distanze delle stelle oggi è. ..

… Osservazioni raccolte dal telescopio spaziale Gaia. Dal 2014 si occupa di precise misurazioni astrometriche, ovvero la determinazione della posizione delle stelle nel cielo. Stelle la cui parallasse si può dedurre da questi dati (la posizione di una stella rispetto ad altre più lontane dipende dal luogo da cui la osserviamo, e Gaia cambia posizione durante l’anno) possono anche avere una distanza ben definita. Come già sappiamo, questi sono i dati chiave per determinare con precisione la luminosità delle stelle, necessaria per una corretta stima della loro età.

Mappa del cielo che mostra la posizione degli oggetti osservati dal telescopio Gaia.

Al momento disponiamo di una prima versione 3 del set di dati osservazionali di Gaia. Contiene già dati per 1,8 miliardi di oggetti, inclusa la posizione esatta di quasi 1,5 miliardi. La maggior parte di loro sono celebrità.

La stima dell’età di 250.000 subgiganti è la base della stima dell’età della Via Lattea.

I dati del telescopio Gaia, combinati con accurate osservazioni della composizione chimica e modelli evolutivi, hanno fornito la stima più accurata dell’età di circa 250.000 stelle fino ad oggi.

Le osservazioni spettroscopiche che hanno rivelato la struttura delle stelle (compresa l’abbondanza di metalli più pesanti dell’elio) sono state raccolte utilizzando il telescopio LAMOST (China’s Large Sky Multipurpose Fiber Optic Telescope). Questo è un telescopio ottico con uno specchio segmentato che misura 5,7 x 4,4 metri. Sebbene lo strumento si trovi in ​​Cina, anche astronomi di altri paesi sono coinvolti nell’osservazione di progetti realizzati con esso.

Anche le stelle con una classificazione in base all’età non sono le prime stelle migliori. Queste sono le cosiddette subgiganti, o stelle che hanno appena completato la loro fase principale e più lunga di esistenza. Sono entrati in una fase relativamente breve quando la stella si trasforma in una gigante rossa. Così sarà in futuro con il sole.

Per tali stelle, confrontare le osservazioni della composizione chimica e della luminosità esatta (tenendo conto della distanza) con i modelli teorici fornisce un errore relativamente piccolo nelle stime dell’età. È ancora una piccola percentuale, ma ancora molto meno di quanto non fosse quando i dati di Gaia non erano disponibili.

Cronologia della formazione della Galassia dall’età delle singole stelle. Com’è possibile?

Un quarto di milione di stelle, invecchiate in modo abbastanza accurato, si trovano in più di una regione della Via Lattea. Alcuni di essi appartengono al cosiddetto alone, o guscio sferico che ricopre il disco e la parte centrale della nostra Galassia.

L’attuale modello della struttura della Galassia. Viene mostrata una vista laterale, cioè nel piano del disco galattico. Il rigonfiamento è il rigonfiamento al centro della galassia. Un disco spesso ha uno spessore di circa 6.000 anni luce, mentre un disco sottile ha uno spessore di circa 2.000 anni luce (più è lontano dal centro, più è sottile)

Il resto è nel cosiddetto disco galattico sottile, la struttura del disco della galassia più lontana dal centro, o nel disco spesso. Il disco spesso, a sua volta, fa parte della struttura del disco della galassia più vicino alle sue parti centrali. Vicino al Sole, che è già lontano dal centro della Galassia, la maggior parte delle stelle appartiene a un disco sottile.

Le parti centrali più antiche della Via Lattea hanno 13 miliardi di anni

Rilevando accuratamente stelle di età conosciute in diverse parti della galassia, gli astronomi sono stati in grado di giudicare la loro età (non quella delle stelle). E poi sono rimasti sorpresi, perché si è scoperto che la Via Lattea si è formata in due fasi caratteristiche e le sue parti centrali più antiche sono addirittura 2 miliardi di anni più vecchie di quanto si pensasse.

In breve, si presenta così:

• 800 milioni di anni dopo la formazione dell’Universo, o 13 miliardi di anni fa, iniziò la formazione di uno spesso disco della galassia,
• allo stesso tempo, si formò un alone galattico, ma questo processo acquisì slancio solo 2 miliardi di anni dopo che la giovane Via Lattea “inghiottiva” la galassia nana che l’accompagnava Gaia-Sausage-Enceladus,
• La formazione di un disco sottile è la seconda fase nella formazione di una galassia moderna dopo l’esaurimento di grandi quantità di gas interstellare in un disco spesso circa 8 miliardi di anni fa.
• Attualmente, la formazione stellare nel disco sottile è molto più lenta rispetto ai primi giorni della nostra galassia.

A proposito, è stata scoperta una stretta relazione tra l’età delle stelle e la loro metallicità per gli oggetti formati durante questa prima fase della formazione della Galassia. Questa è la sorpresa più grande, poiché fino ad ora si credeva che la metallicità dipendesse anche dalla posizione delle stelle nel disco spesso, e non solo dall’età della popolazione.

I dati di Gaia hanno portato a molte importanti scoperte.

Siamo ancora una volta convinti dell’importante ruolo svolto dai rilevamenti di massa del cielo e dai cataloghi di stelle basati su di essi. La creazione di tali banche dati, che includono non solo la distanza, la luminosità e il colore, ma anche la posizione e l’automovimento delle stelle, è una procedura piuttosto lunga che coinvolge centinaia di specialisti. Controllano attentamente i dati raccolti da Gaia e li traducono in un linguaggio comprensibile per altri astronomi, che poi scavano nel database di Gaia.

Questo database viene gradualmente perfezionato dalle successive osservazioni. L’ultima versione del catalogo Gaia, la cosiddetta 3a edizione, è prevista per la metà di giugno di quest’anno. Grazie ad esso verrà creato un modello tridimensionale ancora più accurato dell’ambiente più vicino della nostra galassia.

E pensare che anche 100 anni fa, gli astronomi consideravano le galassie lontane come nebulose all’interno della Via Lattea. Questa visione fu modificata nel 1924 da Edwin Hubble, le cui osservazioni confermarono le vaste distanze di altre galassie. Questa scoperta allo stesso tempo ha cambiato lo stato della Via Lattea, che da oggetto speciale, una volta identificato con l’intero universo, è diventato uno dei trilioni di oggetti simili.

Fonte: MPG, inf. proprio, foto di fronte: Stefan Payne-Wardenaar / MPIA