HVGC-1: il cluster emarginato

Abbiamo già scoperto stelle che si muovono a migliaia di chilometri al secondo. Questo ammasso globulare sta facendo lo stesso?

A occhio nudo, le stelle e le galassie spesso sembrano proprio piccole punture di luce. Mentre per molte fonti, i telescopi possono fornire immagini con dettagli quasi sorprendenti, ci sono molti casi in cui il bersaglio di interesse appare ancora come un punto su uno schermo. In questi casi, gli astronomi possono fare affidamento sulla spettroscopia per fornire loro persino le nozioni di base su ciò che stanno guardando.

Prendiamo, ad esempio, l'oggetto HVGC-1, situato a circa 16 milioni di parsec dalla Terra nel Cluster Vergine delle galassie. Quando è stato scoperto per la prima volta nel 2014, la sua posizione nel cielo significava che poteva essere una stella nell'aureola della Via Lattea o un ammasso globulare canaglia espulso dalla galassia ellittica M87. Le misurazioni della velocità radiale sembravano indicare che quest'ultima ipotesi era più probabile, ma ci sono voluti fotometria ottica e infrarossa, accompagnata da misurazioni delle linee dell'idrogeno nei suoi spettri, per chiudere definitivamente il caso.

Un'immagine del telescopio spaziale Hubble di M87, insieme a un getto emesso dal suo centro. Credito d'immagine: NASA / Hubble.

HVGC-1 - abbreviazione di High-Velocity Globular Cluster 1 - è interessante in quanto non è solo una dimostrazione del perché le misurazioni della linea spettrale sono incredibilmente utili. L'oggetto si sta allontanando da M87 ad una velocità di oltre 2300 km / s, maggiore della velocità di fuga della galassia. Ciò non ha eguali in nessun ammasso globulare scoperto fino ad oggi e sembra indicare un passato turbolento sia per lo stesso ammasso che per la galassia che un tempo chiamava casa.

Il colpevole? Molto probabilmente un buco nero supermassiccio.

La spettroscopia colpisce ancora

La scoperta è arrivata nel mezzo di una ricerca (Caldwell et al. 2014) di cluster globulari verso il Cluster Vergine. Vecchie, dense e piene di stelle a bassa metallicità, questi oggetti e le stelle che li compongono sono probabilmente vecchi quanto le galassie che orbitano. La loro prima formazione ed evoluzione è ancora un argomento attivo di ricerca, e mentre i nostri migliori e più dettagliati campioni di ammassi globulari sono all'interno del gruppo locale, studiarli in altri gruppi di galassie - come gli M87 - può aiutarci a comprendere meglio alcuni aspetti della formazione di galassie .

Fig.1, Caldwell et al. 2014. I picchi delle distribuzioni di stelle e ammassi globulari sono chiari e HVGC-1 è tutt'altro.

Gli astronomi hanno studiato circa 2500 candidati cluster globali e sono stati in grado di determinare spostamenti verso il rosso - e quindi velocità radiali - per circa 1800 di essi. Le distribuzioni di velocità hanno mostrato che i candidati si sono effettivamente suddivisi in tre categorie distinte: galassie, ammassi globulari nel Cluster della Vergine e stelle in primo piano nell'aureola della Via Lattea. Quando le galassie furono rimosse dal campione, rimase un punto di dati che era lontano dai picchi della stella e dalle distribuzioni di ammassi globulari, con una velocità radiale di circa -1000 km / s - un enorme valore anomalo. Ciò ha sollevato una domanda: l'HVGC-1 era una stella, una galassia, un ammasso globulare o qualcos'altro interamente?

La spettroscopia ci consente di determinare il movimento di un oggetto lungo la nostra linea di vista, ma le stesse linee spettrali ci forniscono ancora più informazioni. Ad esempio, la presenza e la forma di varie linee può essere un indicatore chiave della composizione e della temperatura di una stella. Anche i punti di forza delle linee sono importanti, ma i punti di forza delle linee possono essere ridotti da cose come l'estinzione e, naturalmente, la legge del quadrato inverso. Pertanto, se vuoi provare a identificare un oggetto in base alla forza delle sue linee, è meglio guardare i rapporti di diverse linee, piuttosto che le intensità assolute.

Fig. 3, Caldwell et al. 2014. L'HVGC-1 è piuttosto chiaramente un cluster globulare.

In questo caso, il team ha esaminato due diversi rapporti di linea: Hγ diviso per la luminosità della banda G e un rapporto di due tipi di emissione di Ca II, utilizzando linee di Balmer ad alta energia. In generale, i cluster globulari di M87 hanno rapporti di Ca II sostanzialmente inferiori rispetto ai cluster globulari in Andromeda o alle stelle di campo. Il rapporto Ca II di HVGC-1 era circa 0,5, circa la metà di quello che ci si potrebbe aspettare di vedere in una stella aureola, ma perfetto per un ammasso globulare.

Filtraggio delle stelle

L'altra diagnostica principale utilizzata per separare l'oggetto da possibili stelle di primo piano era la semplice fotometria. In un sondaggio del Virgo Cluster pubblicato all'inizio di quell'anno, chiamato The Next Generation Virgo Cluster Survey-Infrared (NGVS-IR), Muñoz et al. Il 2014 ha trovato un modo intelligente per distinguere i cluster globulari dalle stelle confrontando la fotometria da diversi filtri. Prendendo misure di luminosità nelle bande K, u e i (centrate rispettivamente a 2190, 365 e 806 nm), hanno tracciato ik contro ui e hanno identificato un certo numero di regioni in quello che è chiamato un diagramma uiK, comprese le linee di stelle e ammassi globulari.

Fig.14, Muñoz et al. 2014. Le due linee vicine di stelle di sequenza principali e ammassi globulari sono molto densamente popolate.

Il team NGVS-IR stava studiando specificamente M87, rendendo la loro scoperta uno strumento davvero utile per Caldwell et al., Che stavano cercando altre prove che HVGC-1 fosse un ammasso globulare. Il loro diagramma uiK non ha deluso e l'oggetto target è caduto magnificamente nella sequenza di cluster globulari, come previsto.

Fig. 2, Caldwell et al. Il 2014.

Tra la fotometria e l'analisi del rapporto di linea, sembrava che il gruppo avesse definitivamente classificato l'HVGC-1 come un cluster globulare, muovendosi all'incredibile velocità di 2300 km / s rispetto a M87. Un rapido calcolo ha mostrato che questa velocità è molto maggiore della velocità di fuga della galassia, indicando che l'ammasso globulare la lascerà presto, così come il Cluster della Vergine nel suo insieme. Vediamo un certo numero di stelle che si muovono in questo modo nella Via Lattea chiamate stelle ipervelocità (ho scritto di un caso interessante, HE 0437–5439, all'inizio di quest'anno!). Si pensa che queste stelle abbiano raggiunto le loro immense velocità dopo gli incontri con il Sagittario A *, il buco nero supermassiccio al centro della galassia. Potrebbe essere successo qualcosa di simile con HVGC-1?

Buchi neri e ammassi per bambini

L'idea di un incontro violento con un buco nero supermassiccio è allettante che implicherebbe una storia violenta per M87. Affinché un oggetto venga espulso da un sistema, devono essere coinvolti almeno tre corpi. Le stelle dell'ipervelocità sono spesso spogliate dei compagni binari - i terzi corpi coinvolti - quando incontrano un buco nero supermassiccio, ma quella binarietà è altamente improbabile per i cluster globulari! Gli astronomi hanno proposto una modifica all'impianto, in cui due buchi neri supermassicci distanziati non più di un paio di parsecs avrebbero potuto fornire la spinta necessaria per inviare HVGC-1 nello spazio intergalattico. Un tale incontro eliminerebbe la maggior parte delle stelle del cluster globulare, lasciando solo il suo nucleo denso.

C'è supporto per questa idea. Mentre M87 contiene solo un buco nero supermassiccio, è compensato dal centro, il che potrebbe indicare che il buco nero è il risultato di una fusione binaria. Le onde gravitazionali dell'evento potrebbero essere emesse anisotropicamente, spingendo il residuo lontano dal centro galattico. Abbiamo prove che la stessa cosa è successa nel quasar 3C 186.

Le stelle di ipervelocità come HE 0437–5439 possono essere resti di sistemi binari o tripli stelle. Credito d'immagine: NASA.

Detto questo, come quasi sempre accade, ci sono altre spiegazioni per la particolare velocità. Una possibilità considerata dal gruppo è che le interazioni tra galassie nel Cluster Vergine potrebbero essere state eliminate da M87 - HVGC-1 tra di loro. Tuttavia, la distribuzione osservata da altri oggetti candidati in M87 non si estende fino alla velocità relativa misurata di 2300 km / s, il che significa che HVGC-1 sarebbe comunque un valore anomalo. Un'altra possibilità era che HVGC-1 fosse il compagno di una galassia nana "subhalo" in orbita attorno a M87, spostata attraverso un'interazione a tre corpi. Ancora una volta, tuttavia, è improbabile che ciò generi la velocità richiesta.

Infine, il team ha preso in considerazione un'altra situazione legata ai binari supermassicci del buco nero. Dato quanto è denso HGVC-1, sembrava possibile che fosse in realtà quello che viene chiamato un sistema stellare ipercompatto - un buco nero supermassiccio circondato da un gruppo di stelle, il tutto espulso da un sistema binario buco nero al centro della galassia attraverso l'onda gravitazionale emissione. Tuttavia, la metallicità misurata del cluster non era fortemente d'accordo con la teoria - e, di nuovo, anche la sua velocità.

Gli astronomi preferiscono ancora l'idea di una fusione binaria supermassiccio con buco nero - una prospettiva entusiasmante, poiché quelle fusioni potrebbero essere rilevabili da sistemi come array di temporizzazione pulsar. Se stiamo effettivamente osservando M87 molto tempo dopo un simile evento, potrebbero esserci altri segni nelle popolazioni stellari vicino al nucleo della galassia. Forse il getto astrofisico che emerge dal suo centro potrebbe darci qualche indizio. M87 è una galassia assolutamente enorme, probabilmente molte volte la massa della Via Lattea, con ricchi gruppi di stelle, ammassi globulari, gas e polvere. È un obiettivo costante di studio su una vasta gamma di lunghezze d'onda. Potremmo non essere troppo lontani dal prossimo sondaggio per fornire prove del curioso passato di HVGC-1.