Un team internazionale guidato dal Dipartimento di Astrofisica-Laboratorio AIM del CEA-Irfu ha appena ottenuto nuovi indizi sull'origine della distribuzione di massa delle stelle, combinando i dati osservativi del grande interferometro ALMA e del radiotelescopio APEX gestito dall'Osservatorio australe europeo (ESO) e dall'Osservatorio spaziale Herschel.

Grazie ad ALMA, i ricercatori hanno scoperto nella cosiddetta Nebulosa Zampa di Gatto, situato a circa 5, 500 anni luce, la presenza di nuclei densi protostellari molto più massicci di quelli osservati nelle vicinanze solari. I ricercatori hanno dimostrato che esiste uno stretto legame tra la distribuzione di massa dei filamenti interstellari e la distribuzione di massa delle stelle. La densità, o massa per unità di lunghezza, dei filamenti genitori è il parametro cruciale che controlla le masse delle stelle appena formate. Questa scoperta fornisce un indizio chiave sull'origine delle masse stellari. Questi risultati sono pubblicati in tre articoli della rivista Astronomia e astrofisica .

L'enigma delle masse stellari

Le stelle sono i principali elementi costitutivi dell'Universo e la vita di una stella è quasi interamente determinata dalla sua massa iniziale. Ma, l'origine della distribuzione di massa delle stelle alla nascita, chiamata funzione di massa iniziale dagli astronomi, è ancora una questione irrisolta. Si è a lungo pensato che le stelle si siano formate dal collasso di nubi interstellari più o meno sferiche. Ma dal 2009, l'osservatorio spaziale Herschel, osservando nel lontano infrarosso e submillimetrico, ha permesso una svolta fondamentale rivelando che le stelle nascono principalmente in densi filamenti di gas freddo. Quando questi lunghi filamenti di gas, ad una temperatura di appena ~ 10 K (10 gradi sopra lo zero assoluto), raggiungere una soglia di densità critica di circa 5 masse solari per anno luce di lunghezza, la concentrazione di massa diventa sufficiente per formare le stelle.

Osservando le nuvole interstellari nelle vicinanze del Sole, i risultati del satellite Herschel hanno mostrato che i filamenti di formazione stellare hanno tutti circa la stessa larghezza, vicino a ~ 0,3 anni luce. In queste nuvole, la massa caratteristica delle stelle formate dalla frammentazione dei filamenti è di circa ~ 0,3 massa solare.

Ma la sensibilità e la risoluzione delle immagini satellitari Herschel erano insufficienti per studiare questo processo di frammentazione nelle nuvole più distanti. Per capire meglio come le stelle che sono significativamente più massicce del nostro Sole possono formarsi nei filamenti interstellari, gli astronomi hanno dovuto utilizzare strumenti con capacità di risoluzione più elevate di Herschel, come la camera ArTéMiS del radiotelescopio APEX e il grande interferometro ALMA, entrambi situati nel deserto di Atacama in Cile.

Stelle più massicce in filamenti più densi?

Lo studio ALMA si è concentrato su una massiccia regione di formazione stellare nota come NGC 6334, nota anche come Nebulosa Zampa di Gatto, situato a circa 5500 anni luce dalla Terra. Questa nebulosa è stata una delle prime regioni "fotografate" dalla camera ArTéMiS osservando alla lunghezza d'onda di 350 μm. L'immagine ArTéMiS ha rivelato che il filamento principale ha una larghezza di circa 0,5 anni luce, molto simile a quello misurato con Herschel per i filamenti nell'intorno solare.

I ricercatori del laboratorio AIM potrebbero quindi mappare parte del filamento Cat's Paw utilizzando l'interferometro ALMA. A sua volta, l'immagine ALMA ha mostrato che la struttura del filamento è molto simile a quella dei filamenti del vicinato solare, fatto di "fibre" intrecciate o trecce e condensazioni protostellari. Ma queste condensazioni protostellari sono qui di un ordine di grandezza più massicce. Sembra quindi che i filamenti interstellari si frammentano qualitativamente in modo molto simile, indipendentemente dalla loro densità, ma che la massa caratteristica delle condensazioni protostellari - e quindi delle stelle - che risulta dalla frammentazione dei filamenti aumenta con la densità lineare dei filamenti.

Questa stretta relazione, dimostrato per la prima volta, rafforza l'idea che la formazione stellare in filamenti di gas molecolare denso sia forse un processo quasi universale. Tali filamenti rappresentano fondamentali "blocchi di costruzione" della nascita delle stelle e la densità dei filamenti (o massa per unità di lunghezza) sembra essere il parametro critico che decide infine le masse delle stelle formate. La distribuzione di massa delle stelle sarebbe quindi in parte "ereditata" dalla distribuzione delle densità lineari dei filamenti.

Ma l'enigma delle masse stellari non è ancora del tutto risolto. A seguito di questo lavoro sorge una nuova domanda:qual è l'origine della distribuzione della densità dei filamenti che formano le stelle? I ricercatori sospettano che il campo magnetico e l'organizzazione delle linee di campo all'interno dei filamenti svolgano qui un ruolo cruciale. Lo strumento B-BOP, l'imager polarimetrico del progetto SPICA (SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics) per il telescopio spaziale infrarosso criogenico proposto come missione M5 dell'Agenzia spaziale europea (ESA), dovrebbe consentire di verificare questa ipotesi in futuro.