Test di paternità stellare corrispondono alle stelle orfane alle loro origini nella Via Lattea.

10 gennaio 2024

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di Amy White, Università di Lehigh

Nell'ambiente caotico degli ammassi stellari aperti, le forti interazioni gravitazionali tra i corpi possono lanciare stelle individuali molto lontano dall'ammasso, persino al di fuori della nostra galassia, la Via Lattea. Ora, per la prima volta, i ricercatori hanno mappato diverse di queste stelle, che si trovano al di fuori del disco galattico, con gli ammassi di origine utilizzando nuovi dati della missione Gaia dell'Agenzia Spaziale Europea.

Dei ricercatori dell'Università di Lehigh hanno presentato i risultati sotto il titolo 'Test di paternità stellare: corrispondenza tra le stelle di classe B ad alta latitudine e gli ammassi aperti della loro nascita' oggi in una conferenza stampa al 243° incontro della American Astronomical Society (AAS) a New Orleans.

'Tracciandole indietro nel tempo per vedere da dove sono originate, siamo in grado di abbinarne 15 agli ammassi stellari in cui sono nate', ha detto M. Virginia (Ginny) McSwain, professore associato di fisica presso l'Università di Lehigh. 'Se possiamo dire con grande confidenza da dove provengono alcune di queste stelle, sapremo di più sulla storia degli ammassi stellari nella Via Lattea'.

La maggior parte delle stelle al di fuori del sottile disco della Via Lattea, che include le braccia spiralate con un diametro più spesso al centro, ha più di otto miliardi di anni, formandosi nella fase iniziale della storia della galassia. Date le loro età molto antiche, non è sorprendente che si siano allontanate molto dai luoghi di nascita.

Dato che quasi tutta la formazione stellare della nostra galassia avviene nel sottile disco, le stelle di tipo B calde sono raramente trovate al di fuori di questa regione. Tuttavia, un piccolo numero di queste giovani stelle - stimato tra 10 e 100 milioni di anni - si trova ad alte altitudini sopra e sotto il disco, probabilmente espulse dagli ammassi di nascita nei recenti milioni di anni.

'Le stelle calde raramente si spingono al di fuori del disco, quindi quando lo fanno, sono visibilmente fuori posto', ha detto Brandon Schweers, uno studente universitario di astrofisica presso l'Università di Lehigh che ha fornito importanti ricerche per il progetto. 'Gli ammassi 'genitori' probabilmente hanno espulso la maggior parte di queste stelle di classe B quando interazioni gravitazionali tra tre o quattro corpi hanno scagliato un membro dell'ammasso, facendoli allontanare dal piano della Via Lattea'.

Una stella studiata è stata espulsa con una velocità particolarmente elevata, quindi potrebbe essere stata espulsa durante una supernova in un sistema binario stellare stretto, ha detto Schweers, uno studente di astrofisica al suo ultimo anno. Le stelle possono persino essere scagliate fuori solo per tornare e essere rispingate di nuovo.

Anche se queste stelle 'orfane' sono conosciute da due decenni, nessuna di esse era stata mappata al suo luogo di origine in precedenza, poiché non erano disponibili dati di qualità per rintracciarle alle loro origini. Tuttavia, con i dati della missione Gaia, i ricercatori sono stati in grado di decifrare i movimenti delle stelle con una maggiore precisione rispetto a quanto era disponibile in precedenza.

Utilizzando le traiettorie per risalire nel tempo

La missione Gaia, lanciata nel 2013, mira a esaminare oltre un miliardo di stelle della Via Lattea e a creare una mappa tridimensionale precisa della galassia. I dati includono misurazioni di posizione senza precedenti per le stelle e misurazioni della velocità radiale per i 150 milioni di oggetti più luminosi.

Basandosi sui dati Gaia pubblicati nel 2022, i ricercatori di Lehigh hanno tracciato le traiettorie cinematiche di 95 stelle di classe B ad alta latitudine e circa 1.400 ammassi aperti galattici noti per identificare momenti nel passato in cui potrebbero essersi intersecati e potrebbe essere avvenuta un'espulsione.

'Utilizzando le loro posizioni tridimensionali e le loro velocità tridimensionali nello spazio, siamo stati in grado di calcolare le traiettorie di ogni ammasso e stella ad alta latitudine negli ultimi 30 milioni di anni', ha detto McSwain. Hanno utilizzato il pacchetto open-source Python galpy per l'analisi della dinamica galattica per modellare il campo gravitazionale della galassia in ciascun punto.

Una volta identificati i possibili abbinamenti, hanno confrontato il colore e la luminosità di ogni stella espulsa con il diagramma Hertzsprung-Russell (H-R), un diagramma colore-magnitudine, per ciascun ammasso aperto. Un ammasso aperto ha in genere migliaia di stelle della stessa età e composizione, alla stessa distanza.

'La forma del diagramma H-R dipende principalmente dall'età dell'ammasso, quindi possiamo capire se la stella espulsa ha un'età simile ai suoi simili potenziali nell'ammasso', ha detto McSwain. L'applicazione del test H-R ha restringo ulteriormente l'elenco dei possibili abbinamenti.

Infine, hanno analizzato le densità del nucleo di ciascun ammasso che era un possibile abbinamento. Gli ammassi con una densità maggiore hanno più interazioni gravitazionali forti tra i membri che determinano il maggior potenziale di espulsione delle stelle.

Combining these tools, the researchers confirmed positive paternity matches for 15 orphaned stars. That galactic genealogical tracing was what gave Schweers the idea for the presentation's title.

'When I reached the stage of comparing the color and brightness for the potential matches and discarding those that showed a poor correlation in the H-R diagrams, I felt as though I was comparing the 'DNA' of the orphaned stars and their potential siblings,' Schweers said, reminding him of 'The Maury Povich Show.'

'I think everyone has heard the saying, 'You are not the father' that came from that show. For many of these clusters, I was essentially telling them they are not the parent of these orphaned stars, so I came up with the name 'Stellar Paternity Tests,'' he said.

Based on their trajectory calculations, the researchers estimate the ejections took place about 5 to 30 million years ago, 'flinging abandoned stars across the Milky Way at speeds of 30-220 kilometers/second (67,000-490,000 miles/hour) to their present locations,' they wrote. 'Our results provide a measure of the ejection age for each orphaned star, providing new insight into the relative importance of dynamical vs. supernovae ejection in young open clusters.'

While they were able to match a number of the far-flung stars, some couldn't be traced back to the Milky Way's disk very plausibly, which may provide evidence for other unusual scenarios, they added. These might include rare star formation in molecular clouds high outside the disk, or they could be relics of past dwarf galaxies that merged with the Milky Way in the past.

Undergraduate astrophysics student Christopher J. Aviles Bramer, who graduated in 2022, contributed to the research project.

Provided by Lehigh University