Gaia e il suo miliardo di stelle (evvai!)

Il 14 settembre 2016 sono stati resi pubblici i dati della missione ESA Gaia, evvai!
In questo post vedremo cos’è Gaia, come ha fatto a misurare le cose che ha misurato e cosa ci dicono i dati. Tenete comunque presente che questi sono solo i primi dati della missione; ovvero nei prossimi anni verranno resi pubblici dati sempre più aggiornati e inoltre, nel corso dei mesi prossimi, tantissimi astrofisici (non solo quelli legati strettamente alla missione Gaia) analizzeranno questi dati e quindi magari ne vedremo delle belle.
Ma ora facciamo un passo indietro e rispondiamo ad alcune domande.

Cos’è Gaia? 
Dunque, Gaia è un satellite dell’ESA che ha il compito di creare una mappa di più di un miliardo di stelle della nostra Via Lattea. Un miliardo è poco o è tanto? Tenete conto che la Via Lattea contiene un paio di centinaia di miliardi di stelle: quindi parliamo di un centesimo circa di tutte le stelle della Galassia. Ma non lasciatevi ingannare: Gaia rappresenta un passo in avanti gigantesco rispetto a tutte le precedenti missioni che avevano come scopo quello, appunto, di mappare la Via Lattea.
Nell’infografica qui sotto trovate tutti i dettagli della missione Gaia.

Crediti: ESA


A proposito, ma che vuol dire mappare?
Vuol dire misurare la distanza delle stelle oltre a determinare con precisione la loro posizione bidimensionale nel cielo. Mi spiego: quando vediamo una qualsiasi stella in cielo abbiamo la possibilità di determinare solo due coordinate, quello che ci manca è un’informazione su quanto la stella sia lontana da noi. Ora, non è che da terra non si possa misurare la distanza delle stelle, anzi; però, dallo spazio tale distanza si può misurare con maggiore precisione e anche per un numero maggiore di stelle. Ecco, per chi volesse subito vedere un qualche risultato di Gaia, la prima mappa della Via Lattea creata con i dati del satellite:

Crediti: ESA Gaia

Ho scelto di mettere qui la mappa con le annotazioni perché volevo farvi rendere conto che sappiamo già un sacco di cose sulla Via Lattea e per stressarvi sul fatto che con Gaia si vuole andare davvero oltre, cioè arrivare a conoscere meglio il grande condominio stellare in cui viviamo. Per inciso, quelle due piccole palle di luce in basso a destra dello schermo sono le Nubi di Magellano, due piccole galassie nane vicine di casa della Via Lattea.
Ma non è finita: per una mappa completa non basta avere le distanze delle stelle. Infatti le stelle non è che stanno là a fare le belle statuine, ma si muovono continuamente perché immerse nel campo gravitazionale della Via Lattea. Quindi, altro compito di Gaia (che vedremo più in basso) è quello di misurare anche la velocità delle stelle.

Come fa Gaia a misurare la distanza delle stelle?
Con una tecnica che si chiama parallasse. Ne abbiamo già parlato su Quantizzando altre volte ma lo rivediamo subito. In generale, per parlare di parallasse, non c’è bisogno di scomodare le stelle.
Fate così: stendete un vostro braccio davanti a voi all’altezza degli occhi e alzate il pollice della vostra mano tipo a fare OK. Bene, ora chiudete una volta l’occhio destro (tenendo aperto quello sinistro) e poi successivamente chiudete l’occhio sinistro (tenendo aperto quello destro). Cosa notate? Sicuramente vedrete che, in direzione del pollice, l’oggendo sullo sfondo avrà cambiato posizione. Una cosa come quella in questo disegno:

Ecco, questo effetto si chiama parallasse.
Ora dovete sapere che più è grande la distanza tra i due punti di osservazione, maggiore sarà l’effetto della parallasse. Nell’esempio del pollice, i due punti di osservazione sono dati dalle posizioni dei vostri occhi aperti. Siccome non potete spostare i vostri occhi, la cosa più ragionevole da fare è quella di spostare voi stessi.

Per esempio, nell’immagine qui sopra se ci mettiamo nel punto A vedremo che dietro l’albero in C non c’è nulla, mentre se ci mettiamo in B vedremo che dietro l’albero in C c’è una casa. Conoscendo la distanza tra i punti A e B, e anche l’angolo formato in C (che si chiama proprio parallasse), ecco che possiamo stimare quanto è distante l’albero che si trova nel punto C. Spettacolo!

Dunque, come vedete, la parallasse vive e lotta con noi e…magari possiamo usarla anche per misurare la distanza delle stelle? Certo! Solo che, capirete benissimo, le stelle sono lontanissime e quindi non basterà di certo spostarsi dal vostro giardino a quello del vicino per misurare la parallasse.  Ma neanche cambiare continente sarà sufficiente.

Per fortuna il nostro pianeta si muove nello spazio e, per la precisione, orbita attorno al Sole. Questo vuol dire che abbiamo “distanza tra i punti A e B” che può arrivare ad essere grande quanto due volte la distanza Terra-Sole, come potete vedere nella figura qui sotto:

Crediti: ESA Gaia

Ah, perfetto, ora sì: grazie allo spostamento del nostro pianeta ci basterà osservare una stella ogni sei mesi per misurare il suo spostamento apparente in cielo e quindi la parallasse e quindi…la distanza della stella! Tutto ciò è davvero molto bello, ma capite subito che più proviamo a spingerci lontano, cioè a misurare la distanza di stelle sempre più lontane, e più la parallasse sarà piccola e quindi complicata da misurare.

Poi c’è anche l’atmosfera che dà fastidio (ma solo quando si parla di astronomia, per il resto meno male che esiste!) con la sua turbolenza che può far sballare la stima della parallasse soprattutto quando c’è da fare misure di parallasse molto piccole e quindi necessariamente più precise. E dunque che si fa? Si va nello spazio, per esempio con Gaia.
Naturalmente Gaia orbita insieme alla Terra attorno al Sole e quindi, pur con le dovute correzioni orbitali da fare, alla fine il discorso fatto finora non cambia. In particolare, Gaia è stato messo in orbita nel punto lagrangiano L2 (se non sapete cosa sono i punti lagrangiani, allora dovete andare qui).

Come fa Gaia a misurare la velocità delle stelle?
Per la velocità bisogna fare due tipi di osservazione. Infatti, il moto di una stella che si muove in una certa direzione può sempre essere scomposto lungo due direzioni comode per noi: perpendicolare e parallela alla nostra linea di vista, come mostrato nella figura qui sotto.

Crediti: ESA Gaia

Guardate l’immagine: noi vogliamo trovare quella che è la vera velocità della stella (“True velocity of star”). Per farlo misuriamo quello che si chiama moto proprio (“Proper motion”) e la velocità radiale (“Radial velocity”). Il moto proprio si misura semplicemente osservando la stella spostarsi nel cielo; si tratta di spostamenti molto piccoli. Pensate che la stella che si muove di più in questo modo, cioè perpendicolarmente alla nostra linea di vista, è la stella di Barnard con un moto proprio di 10 secondi d’arco circa all’anno (cioè si sposta di 1/360 di grado ogni anno nel cielo!).
La velocità radiale invece si misura studiando lo spettro della stella, ovvero la luce che la stella stessa emette. E poi, una volta misurato lo spettro, si vanno a vedere le posizioni delle righe spettrali. Di che si tratta? Ogni stella ha una atmosfera in cui ci sono degli atomi di un certo tipo (dipende dal tipo di stella). La luce prodotta negli interni stellari raggiunge l’atmosfera stellare e poi magari viene assorbita da questi atomi. Questo comporta che, ad una particolare frequenza, abbiamo meno luce e quindi vediamo nello spettro una banda più scura. Cose del genere, insomma:

Il punto è che ogni riga scura corrisponde ad un ben determinato atomo. Quindi basta confrontare le righe osservate nella stella con le corrispondenti righe create appositamente in laboratorio sulla Terra ed ecco che possiamo dire quali elementi ci sono nelle atmosfere stellari.

Ma non è la fine della storia: infatti se una stella si sta allontanando da noi, allora accade che le righe non si troveranno dove noi ci aspettiamo di trovarle, ma saranno tutte spostate verso la parte rossa dello spettro: come mai? Perché siamo di fronte all’effetto Doppler, ovvero il cambio di frequenza delle onde luminose di un oggetto che si muove con una certa velocità. Comunque niente paura: siccome l’effetto Doppler sposta tutte le righe, alla fine si riesce più o meno facilmente a ritrovare le righe ed associarle a quelle prodotte in laboratorio; e inoltre, così facendo, scopriamo anche a quale velocità si muove la stella.
In questo modo, conoscendo velocità radiale e moto proprio, possiamo ricostruire la velocità reale della stella nella giusta direzione.

E ora, cosa ci facciamo con il miliardo di stelle osservato da Gaia?
Beh, possiamo farci tantissime cose. Innanzitutto, come abbiamo visto, possiamo capire meglio la struttura della nostra Via Lattea. Non dimentichiamoci, infatti, che noi per forza di cose ci siamo dentro alla nostra Galassia e quindi è davvero complicato avere un quadro della struttura. Mappe come quelle realizzate con i dati di Gaia sono una vera e propria manna per gli astrofisici che ora, nei prossimi mesi e anni, faranno tutti i conti per capire meglio come funziona la Via Lattea.

Gaia, poi, ha anche misurato la curva di luce di alcune stelle particolari. Una curva di luce non è altro che un grafico che mostra la luce emessa da una stella al passare dei giorni. Questo tipo di grafico è importante, per esempio, quando abbiamo a che fare con stelle variabili.

E ci sono alcune stelle variabili, tipo le Cefeidi, che sono importantissime perché più è accurata la misura della loro curva di luce, maggiore sarà la precisione con cui possiamo determinarne la distanza (senza usare la parallasse). E perché questo è importante? Perché quando studiamo un’altra galassia non siamo in grado di misurare la parallasse delle stelle ma magari becchiamo qualche Cefeide. E quindi, se abbiamo calibrato tutto come si deve possiamo misurare la distanza delle Cefeidi in quella galassia e quindi, di conseguenza, la distanza stessa della galassia (per un ripasso su come si misura la distanza delle galassie, andate a questo link).

Con Gaia, inoltre, si è potuto anche fare un primo commento su una annosa questione che attanaglia gli astrofisici da svariati anni: la distanza dell’ammasso aperto delle Pleiadi. In particolare, i dati di un satellite tipo Gaia, che si chiamava HIPPARCOS, aveva prodotto un valore della distanza delle Pleiadi diverso da quello ottenuto con altri metodi. I dati di Gaia sembrano essere in accordi con la maggioranza degli altri dati (e quindi non con i dati di HIPPARCOS); tuttavia gli stessi scienziati di Gaia, in uno degli articoli scientifici pubblicati affermano che non è detta l’ultima parola e che, sicuramente, i prossimi dati che fornirà Gaia aiuteranno a fare luce anche su questo fatto delle Pleiadi.

Per finire: sono tutte rose e fiori? Yes!
Stiamo parlando di dati scientifici, quindi bisogna analizzarli come si deve. Per esempio: è possibile che i vari valori misurati (parallasse, moto proprio, velocità radiale) siano correlati tra loro? Oppure è possibile che i valori di stelle vicine siano in qualche modo correlati tra loro (non perché ci sia un motivo fisico, ma magari per i modelli utilizzati dal satellite)?
La risposta è che può darsi ma comunque si tratta di problemi conosciuti e che vengono già tenuti in considerazione. Naturalmente, poi, con il passare degli anni e dell’arrivo dei nuovi dati, gli scienziati che lavorano alla missione Gaia avranno sempre maggiore controllo su queste correlazioni artificiali, le quali possono essere incluse nell’analisi dei dati per evitare che nei risultati prodotti questi effetti siano potenzialmente dominanti. Insomma, tranquilli, c’è gente che lavora duro anche su questi problemi: potete tornare all’inizio di questo post e godervi la meravigliosa mappa della Via Lattea in tutta tranquillità. Aspettando i futuri nuovi dati con trepidazione!


Referenze
Pagina ESA: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Gaia

Articolo scientifico che riassume i risultati dei dati di Gaia: http://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa29512-16.pdf

Lista di tutti gli articoli scientifici pubblicati dopo che i dati di Gaia sono stati resi pubblici: http://www.aanda.org/component/toc/?task=topic&id=641

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: