La scoperta del DESI traccia l'origine di una stella ad alta velocità fino al buco nero centrale della Via Lattea

Emarginata galattica: la scoperta di DESI traccia una stella ad alta velocità fino al buco nero centrale della Via Lattea

Nel profondo del cuore della Via Lattea, una danza gravitazionale tra un sistema stellare binario e il buco nero supermassiccio Sagittarius A* (Sgr A*) si è conclusa con una violenta espulsione. Milioni di anni dopo, gli astronomi hanno identificato la superstite di questo incontro: una rifugiata stellare chiamata DESI-312. Utilizzando i dati più recenti del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), un team di ricercatori ha confermato che questa stella sta fuggendo dal Centro Galattico a una velocità sbalorditiva di quasi 700 chilometri al secondo. Questa scoperta, dettagliata in un nuovo studio guidato da Manuel Cavieres e da un team internazionale di astrofisici, fornisce una rara finestra, priva di ostacoli, sulla composizione chimica della regione più inaccessibile della nostra galassia.

La scoperta di DESI-312

L'identificazione di DESI-312 rappresenta una pietra miliare significativa nel campo dell'"archeologia galattica". Le stelle a iper-velocità (HVS) sono eccezionalmente rare; nonostante i miliardi di stelle nella Via Lattea, sono stati identificati solo poche decine di candidati, e ancora meno sono stati collegati in modo definitivo al Centro Galattico. La scoperta è stata resa possibile dal primo rilascio di dati (DR1) della survey DESI, che fornisce spettroscopia di alta qualità per milioni di oggetti celesti. Combinando i dati spettroscopici di DESI con l'astrometria di precisione della missione Gaia, i ricercatori sono stati in grado di mappare una traiettoria completa nello spazio delle fasi a sei dimensioni per la stella, inclusa la sua posizione 3D e la sua velocità 3D.

Lo studio, firmato da Manuel Cavieres, Sergey E. Koposov, Elena Maria Rossi e colleghi della Leiden University, della University of Edinburgh e della University of Cambridge, evidenzia la precisione richiesta per un simile ritrovamento. "Utilizzando la spettroscopia di DESI e l'astrometria di Gaia, abbiamo condotto una ricerca a sei dimensioni di HVS e identificato un candidato convincente... la cui traiettoria legata può essere ricondotta con sicurezza al Centro Galattico", osservano i ricercatori. A differenza di molte altre stelle ad alta velocità che si muovono casualmente attraverso l'alone, il percorso di DESI-312 punta come una freccia verso le immediate vicinanze di Sgr A*, il buco nero da quattro milioni di masse solari al centro della nostra galassia.

Il meccanismo di Hills: una fionda cosmica

Il meccanismo alla base di velocità così estreme è noto come meccanismo di Hills, proposto dall'astronomo Jack Hills nel 1988. Il processo avviene quando un sistema stellare binario — due stelle che orbitano l'una intorno all'altra — si avvicina troppo a un buco nero supermassiccio. Le immense forze mareali del buco nero possono fare a pezzi la binaria. Una stella viene catturata in un'orbita stretta attorno al buco nero, mentre la sua compagna viene scagliata verso l'esterno a velocità incredibili, che spesso superano la velocità di fuga della galassia.

Per DESI-312, i ricercatori hanno calcolato una velocità di espulsione di 698 (+35/−27) km/s. Questa velocità è coerente con le previsioni del meccanismo di Hills, confermando che la stella è stata probabilmente "espulsa" da Sgr A*. Sebbene alcune stelle possano raggiungere velocità elevate attraverso esplosioni di supernovae in sistemi binari o incontri dinamici in ammassi stellari densi, queste stelle "fugitive" (runaway) raramente raggiungono le velocità osservate in DESI-312. I dati suggeriscono che solo un incontro con un buco nero supermassiccio potrebbe fornire l'energia cinetica necessaria per scagliare una stella di massa solare nell'alone interno a tale ritmo.

Segreti chimici del nucleo galattico

Uno degli aspetti più sorprendenti di DESI-312 è la sua firma chimica. L'analisi spettroscopica ha rivelato che la stella possiede una "metallicità supersolare", con un rapporto ferro-idrogeno ([Fe/H]) di 0,27 ± 0,09. Ciò significa che la stella è significativamente più ricca di elementi pesanti rispetto al nostro Sole. Questa composizione chimica è una prova fondamentale riguardo alla sua origine. La maggior parte delle stelle che si trovano nell'alone galattico — le frange esterne dove risiede attualmente DESI-312 — sono antiche e "povere di metalli", essendosi formate all'inizio della storia dell'universo.

Una stella con un'alta metallicità come DESI-312 è un'anomalia nell'alone, ma perfettamente a suo agio nel Centro Galattico. Il nucleo della Via Lattea è una regione di intensa formazione stellare e arricchimento chimico. Portando con sé questa impronta chimica, DESI-312 funge da "messaggero stellare". Poiché il Centro Galattico è pesantemente oscurato da fitte nubi di gas e polvere, è notoriamente difficile per gli astronomi misurare le abbondanze chimiche delle stelle situate lì. DESI-312, essendo fuggita da quel velo di polvere, offre una rara opportunità di studiare la composizione della Galassia interna dal punto di vista molto più chiaro dell'alone.

Mappare la via di fuga

Nella loro analisi, Cavieres e il suo team hanno meticolosamente escluso luoghi di nascita alternativi per la stella. Hanno considerato se DESI-312 potesse essere stata espulsa dal disco galattico o da un ammasso globulare. Tuttavia, l'energia orbitale della stella e il suo specifico profilo chimico non corrispondevano a questi scenari. Le stelle espulse dal disco hanno tipicamente velocità inferiori e diversi rapporti tra gli elementi, mentre gli ammassi globulari sono generalmente composti da popolazioni molto più vecchie e povere di metalli.

L'analisi della traiettoria mostra che DESI-312 si trova attualmente nell'"alone interno", il che significa che è ancora legata gravitazionalmente alla Via Lattea, sebbene su un'orbita molto allungata. Questo la rende una stella a iper-velocità "legata". Anche se potrebbe non lasciare interamente la galassia, il suo viaggio dalle regioni sub-parsec intorno a Sgr A* fino alla sua posizione attuale a migliaia di anni luce di distanza permette agli scienziati di sondare il "potenziale galattico" — la distribuzione della massa, inclusa la materia oscura, in tutta la Via Lattea. Il percorso che una stella compie è dettato dalla gravità di tutto ciò che attraversa, rendendo DESI-312 una sonda ad alta velocità dell'architettura invisibile della galassia.

Una nuova classe di stelle a iper-velocità

Storicamente, la maggior parte delle HVS identificate sono state stelle massicce, calde e blu (stelle di tipo A e B). Queste stelle hanno vita breve, il che fornisce un "orologio" per il loro tempo di viaggio, ma rende difficile l'analisi atmosferica dettagliata. DESI-312 è diversa. È una stella di circa una massa solare, attualmente nella sequenza principale o nel ramo iniziale delle subgiganti. Essendo una stella simile al Sole, la sua atmosfera è più stabile e le sue linee spettrali sono più facili da interpretare, consentendo una scomposizione molto più dettagliata dei suoi elementi chimici.

Questa scoperta evidenzia la crescente potenza della survey DESI. Mentre la missione Gaia ha rivoluzionato la nostra comprensione delle posizioni e dei movimenti stellari, Gaia da sola spesso manca della profondità spettroscopica per determinare la chimica di una stella o la velocità radiale precisa per gli oggetti più deboli. DESI colma questa lacuna, osservando milioni di stelle e fornendo la "terza dimensione" del moto e la "quarta dimensione" della storia chimica. Mentre la Collaborazione DESI continua a rilasciare dati, gli astronomi si aspettano di trovare altre di queste "emarginate galattiche", ognuna delle quali racconta una storia diversa della violenta storia del nucleo della nostra galassia.

Il futuro dell'archeologia galattica

La scoperta di DESI-312 è solo l'inizio di quella che i ricercatori sperano sarà un'epoca d'oro per la ricerca sulle HVS. Con l'avvento di survey spettroscopiche multi-oggetto come DESI, WEAVE e 4MOST, si prevede che il censimento delle stelle ad alta velocità crescerà da una manciata di anomalie a una popolazione statisticamente significativa. Ogni nuova scoperta aiuta a vincolare il tasso con cui Sgr A* distrugge i sistemi binari, il che a sua volta informa la nostra comprensione della densità di stelle e buchi neri nel Centro Galattico.

Inoltre, lo studio dei tassi di espulsione di stelle come DESI-312 fornisce dati cruciali per prevedere altri fenomeni, come gli eventi di distruzione mareale (TDE) — in cui una stella viene fatta a pezzi da un buco nero — e l'emissione di onde gravitazionali da "inspirazioni con rapporto di massa estremo" (EMRI). Come concludono Sergey E. Koposov e il team, queste fugitive stellari sono più che semplici curiosità; sono strumenti essenziali per comprendere gli ambienti più estremi del nostro universo. Per ora, DESI-312 continua il suo solitario cammino attraverso l'alone, testimone silenziosa di un incontro gravitazionale avvenuto milioni di anni fa nel vero cuore della Via Lattea.