Sondando il cielo per quasi quattro anni per osservare il bagliore della fredda polvere cosmica incorporata nelle nubi interstellari di gas, l'Herschel Space Observatory ha fornito agli astronomi uno sguardo senza precedenti sulle culle stellari della nostra Galassia. Di conseguenza, sono stati fatti passi da gigante nella nostra comprensione dei processi fisici che portano alla nascita delle stelle e dei loro sistemi planetari.

"Siamo fatti di roba da star, " l'astronomo Carl Sagan ha detto notoriamente, come gli atomi che ci fanno – i nostri corpi, le nostre case, il nostro pianeta – provengono in gran parte da precedenti generazioni di stelle.

Infatti, stelle e pianeti nascono continuamente nelle sacche più dense e fredde di nubi molecolari, dove prendono forma da una miscela che consiste in gran parte di gas ma contiene anche piccole quantità di polvere miscelata.

Come parte di un processo di riciclaggio cosmico, le star restituiscono anche il loro materiale rielaborato dopo la loro scomparsa, arricchendo questo mezzo interstellare che pervade tutte le galassie, compresa la nostra Via Lattea, con elementi pesanti prodotti nelle loro fornaci nucleari e durante le violente esplosioni che mettono fine alla vita delle stelle più massicce.

Gli astronomi sanno da tempo che le stelle prendono forma quando il materiale interstellare si riunisce e si condensa, poi si scompone in frammenti – i semi di future stelle – ma molti dettagli di questo complesso processo sono rimasti oscuri fino a non molto tempo fa.

Ciò che ha ribaltato la situazione nella comprensione di come nascono le stelle è stato l'Herschel Space Observatory dell'ESA, una missione pionieristica lanciata nel 2009 e operativa fino al 2013.

Un osservatorio unico

Dare un senso all'Universo in cui viviamo è un'affascinante impresa forgiata nel corso di migliaia di anni dal lavoro incessante di innumerevoli primi pensatori dedicati, filosofi, e più recentemente, dagli scienziati. Questo processo continuo è scandito da importanti scoperte, spesso reso possibile dall'esordio di nuove strumentazioni che aprono un'altra finestra sul mondo, amplificare o espandere i nostri sensi.

Consentendo agli astronomi di osservare più lontano e più in dettaglio negli ultimi quattro secoli, il telescopio è stato la chiave per stabilire la nostra comprensione fisica del cosmo. Allo stesso modo, i progressi nei rivelatori astronomici - dall'occhio umano alle lastre fotografiche, un paio di centinaia di anni fa, e ad un'ampia varietà di dispositivi elettronici nel secolo scorso – è stato altrettanto rivoluzionario per lo sviluppo di queste indagini.

La scoperta della luce a lunghezze d'onda diverse dalla banda visibile, nel diciannovesimo secolo, e la sua applicazione all'astronomia nel ventesimo, hanno favorito questo processo, rivelando classi completamente nuove di fonti e fenomeni cosmici, così come aspetti inaspettati di quelli conosciuti.

Più un oggetto è freddo, più lunghe sono le lunghezze d'onda della luce che emette, quindi l'osservazione del cielo nei domini del lontano infrarosso e submillimetrico fornisce l'accesso ad alcune delle sorgenti più fredde dell'Universo, compreso gas freddo e polvere con temperature di 50 K e anche meno.

Vantando un telescopio con uno specchio primario di 3,5 metri - il più grande mai osservato a lunghezze d'onda dell'infrarosso lontano - e rivelatori raffreddati appena sopra lo zero assoluto, Herschel potrebbe eseguire osservazioni con una sensibilità e una risoluzione spaziale senza precedenti alle lunghezze d'onda che sono cruciali per approfondire il groviglio di nubi che formano le stelle.

Ciò ha reso Herschel molto più in grado di mappare l'emissione diretta dalla polvere fredda rispetto ai suoi predecessori, che includono il satellite astronomico a infrarossi americano-olandese-britannico (IRAS), Osservatorio spaziale a infrarossi (ISO) dell'ESA Il telescopio spaziale Spitzer della NASA, e il satellite Akari di JAXA.

La polvere è un componente minore ma cruciale del mezzo interstellare che oscura le osservazioni alle lunghezze d'onda ottiche e del vicino infrarosso. Come tale, aveva a lungo ostacolato gli astronomi nel raggiungere il fondo della formazione stellare, nella nostra Via Lattea come in altre, galassie più lontane.

Herschel capovolse completamente la situazione. Piuttosto che essere un problema, la polvere divenne una risorsa cruciale per gli astronomi:risplendendo brillantemente alle lunghe lunghezze d'onda sondate dall'osservatorio, la polvere potrebbe essere usata come tracciante del gas interstellare attraverso la Galassia e, più importante, delle sue regioni più dense – le nubi molecolari – dove si svolge la formazione stellare.

Inoltre, Herschel ha fornito la possibilità unica di osservare, con copertura spettrale e risoluzione senza precedenti, un vasto numero di righe negli spettri delle nubi di gas prodotte da atomi e molecole presenti, anche se in piccole quantità, nel gas. Insieme all'osservazione della polvere, queste linee atomiche e molecolari sono state strumentali nel rintracciare le proprietà del gas in un vasto numero di nubi che formano stelle.

Molti dei programmi chiave di Herschel erano dedicati allo studio della nascita delle stelle nelle nubi molecolari, vicino e lontano, nella nostra Galassia.

Tra questi spiccano la Herschel Gould Belt Survey si è concentrata su aree vicine a casa, raccogliere osservazioni eccezionalmente dettagliate delle regioni di formazione stellare più vicine, che si trovano nelle nuvole che formano collettivamente un anello gigante a 1500 anni luce dal Sole. Un altro progetto, l'indagine di imaging Herschel di oggetti OB Young Stellar, ha esaminato specificamente come nascono le stelle massicce. E infine, l'Herschel Galactic Plane Survey ha eseguito un censimento completo dei vivai stellari in tutta la Via Lattea raccogliendo una vista a 360 gradi del Piano Galattico.

Questi tre programmi di osservazione da soli hanno speso oltre 1500 ore di osservazioni per studiare la formazione stellare.

Filamenti a bizzeffe

La scoperta più sorprendente che è emersa da queste vaste indagini è stata una vasta e intricata rete di strutture filamentose che si insinuavano nella Galassia.

Trovare filamenti di per sé non era una novità – strutture simili erano già state rilevate nei decenni precedenti – ma la loro presenza ubiquitaria era decisamente notevole.

Herschel è stato il primo osservatorio a rivelare filamenti quasi ovunque nel mezzo interstellare, dai piccoli, solo pochi anni luce, a fili giganti che si estendono per centinaia di anni luce.

Tali strutture sono state individuate in tutti i tipi di nuvole, anche in quelli senza formazione stellare in corso. Gli astronomi si sono chiesti:perché alcuni filamenti producono stelle, mentre altri no?

La generosità dei nuovi dati ha rivelato non solo che i filamenti sono onnipresenti, ma anche che sembrano avere proprietà molto simili, almeno nel nostro quartiere. Indipendentemente dalla loro lunghezza, tutti i filamenti osservati nelle nuvole vicine hanno una larghezza universale, circa un terzo di un anno luce.

L'origine di questi filamenti interstellari e della loro larghezza universale è probabilmente legata alla dinamica turbolenta del gas nelle nubi interstellari. Infatti, la larghezza corrisponde alla scala tipica in cui il gas subisce la transizione dallo stato supersonico a quello subsonico, suggerendo che i filamenti sorgono a causa della turbolenza supersonica nelle nuvole.

Formazione stellare di piccola massa

Dopo il 2010, quando furono pubblicati i primi studi sulle osservazioni di Herschel, è diventato chiaro che i filamenti interstellari sono elementi cruciali nel processo di formazione stellare.

Le prove delle osservazioni di Herschel continuarono ad accumularsi negli anni successivi.

I filamenti sembrano precedere la formazione delle stelle nella nostra Galassia e, in alcuni casi, lo facilitano. Ma solo i filamenti che superano una soglia di densità minima sembrano essere attivi nella produzione di stelle.

Tenendo conto delle prove accumulate, gli astronomi hanno sviluppato un nuovo modello per spiegare come le stelle di piccola massa, come il nostro sole, sono nati. In questo scenario in due fasi, prima una rete di filamenti nasce dal turbolento, moti supersonici del gas nel materiale interstellare. Dopo, ma solo nei filamenti più densi, subentra la gravità:i filamenti diventano allora instabili e si frammentano in grumi che, a sua volta, iniziano a contrarsi e alla fine creano nuclei pre-stellari, i semi delle stelle future.

Anche se onnipresente, i filamenti rappresentano una piccola frazione della massa totale che costituisce il mezzo interstellare della Galassia, e solo i più densi partecipano al processo altamente inefficiente di formazione stellare.

Mentre le dense strutture filamentose sono senza dubbio i siti preferiti per la nascita stellare, Herschel ha anche osservato alcune stelle che sembrano formarsi in regioni in cui i filamenti non sono stati identificati.

Formazione stellare di grande massa

Stelle massicce, superando parecchie volte la massa del Sole, sono oggetti rari ma estremamente luminosi e potenti che hanno un impatto significativo sul loro ambiente. La loro formazione è stata un enigma che è sfuggito alla spiegazione per molti decenni a causa della difficoltà di conciliare l'enorme pressione di radiazione che si presenta quando prendono forma con il fatto che questa è sufficiente per disperdere il materiale e fermare completamente il processo di accrescimento.

A causa delle maggiori masse e dei rendimenti energetici coinvolti, queste stelle devono prendere vita in condizioni molto diverse da quelle che si trovano nei luoghi di nascita delle loro controparti di massa inferiore. Come rivelato dalle osservazioni di Herschel, stelle massicce sembrano formarsi in prossimità di strutture gigantesche come creste (massicce, filamenti ad alta densità) e hub (gruppi sferici di materia) che possono sorgere all'intersezione di filamenti ordinari.

Con i loro enormi serbatoi di gas e polvere, creste e mozzi possono fornire il flusso sostenuto di materiale necessario per supportare la crescita di enormi embrioni stellari. In questi ambienti estremi, chiamati anche "mini-starburst", la formazione stellare può raggiungere livelli molto intensi, alla fine dando origine ad ammassi stellari che ospitano principalmente stelle massicce.

Pur evidenziando i diversi fenomeni che portano alla formazione di stelle di grande e piccola massa, Herschel li ha anche riuniti in un quadro comune. Come parte di un processo continuo che si svolge su tutte le scale, il materiale interstellare è agitato, compresso e confinato in una varietà di strutture filamentose, il cui successivo collasso per gravità e successiva frammentazione dà origine a una molteplicità di stelle diverse.

Da nuove risposte a nuove domande

In meno di un decennio, gli astronomi, utilizzando gli straordinari dati di Herschel, hanno mostrato come il fenomeno apparentemente complesso della formazione stellare possa essere compreso in termini di processi semplici e universali. Le osservazioni di galassie vicine indicano che processi simili potrebbero essere in gioco anche oltre i confini della nostra Via Lattea.

Durante le sue indagini sulle regioni di formazione stellare, Herschel has also observed many protoplanetary disks around very young stars, providing a glimpse into the raw material that will eventually build up these stars' planetary systems.

Però, as new observations offer an answer to old questions, many new questions arise, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.