Se la Via Lattea fosse una persona, oggi sarebbe seduta da uno psicanalista a fare i conti con un’infanzia turbolenta. Perché la Galassia che abitiamo non è nata bella, ordinata e già fatta: si è costruita pezzo per pezzo, inghiottendo galassie più piccole una dopo l’altra. Ogni boccone ha lasciato un segno, una cicatrice, una smagliatura. E il bello, per chi fa il nostro mestiere, è che quei segni non si sono cancellati: sono ancora lì, scritti nei moti delle stelle, nella loro composizione chimica, nella loro età. Basta saperli leggere.

Prima però c’è da spiegare una cosa importante. La Via Lattea non è una palla informe di stelle: ha una struttura, e quella struttura ha dei nomi precisi. La parte più visibile è il disco, dove stiamo noi: una distesa appiattita di stelle, gas e polvere che gira come un’enorme giostra cosmica. Attorno al disco c’è qualcosa di molto più sfumato e quasi sferico, popolato da stelle vecchissime: si chiama alone, ed è una specie di “guscio” che avvolge la Galassia. Ed è proprio nell’alone che vivono i nostri principali sospettati: le stelle “immigrate”, quelle che molto tempo fa appartenevano ad altre galassie più piccole, prima che la Via Lattea se le mangiasse.

Come facciamo a capire chi è immigrato e chi no? Semplice (a dirsi): una stella che oggi orbita vicino al Sole, ma che è nata altrove miliardi di anni fa, non si comporta come le sue vicine. Si muove in direzioni un po’ strane, ha una composizione chimica leggermente diversa, magari un’età che non torna. È un’immigrata di lungo corso: ha cambiato passaporto, ma il suo DNA stellare la tradisce ancora. Questo modo di studiare la Galassia ha persino un nome elegante – archeologia galattica – ma in fondo è proprio quello: scavare nei resti, ricomporre i frammenti, ricostruire la storia.

Il problema, fino a qualche anno fa, era che gli scavi avvenivano quasi al buio. Mancava lo strumento giusto. Poi, è arrivata Gaia.

Il satellite che ha cambiato le carte in tavola

Gaia è un telescopio spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea, in orbita dal 2013, e il suo lavoro è di una precisione che lascia senza fiato: misurare posizione, distanza e velocità di circa due miliardi di stelle nella nostra Galassia. Per la prima volta nella storia, abbiamo davanti il film tridimensionale di come si muove la Via Lattea, fotogramma per fotogramma.

E qui succede una cosa che gli astronomi aspettavano da decenni. Nel 2018, l’astronoma olandese Amina Helmi e i suoi collaboratori pubblicano su Nature un articolo che oggi è citato in praticamente ogni lavoro di archeologia galattica. Guardando le velocità delle stelle vicine al Sole, notano qualcosa di clamoroso.

Per capire cos’hanno trovato, immagina la Galassia come un’enorme rotonda stradale: il disco gira tutto nello stesso verso, come le auto che girano in senso antiorario. Helmi e colleghi scoprono che una grossa fetta delle stelle dell’alone vicino al Sole gira in senso contrario – come un ciclista che entra contromano nella rotonda. E non solo: queste stelle si muovono su orbite molto allungate, vanno e tornano verso il centro della Galassia come un pendolo che oscilla, invece di seguire dei giri ordinati.

Sono troppe, e si comportano in modo troppo coerente, per essere stelle nate “in casa”. Sembrano i resti di una stessa cosa. È la firma di un naufragio antichissimo.

Gaia-Enceladus: il merger che ha forgiato il disco

Helmi e colleghi danno un nome a quel naufrago: Gaia-Enceladus. La scelta non è casuale. Nella mitologia greca Encelado era uno dei Giganti, figlio di Gaia (la Terra) e di Urano (il Cielo), sepolto sotto l’Etna e considerato responsabile dei terremoti della zona. Calza a pennello: questo gigante cosmico è figlio di Gaia (questa volta il satellite), è stato un gigante rispetto alle altre galassiette satellite, è sepolto dentro la Via Lattea e – soprattutto – ha scosso la nostra Galassia abbastanza da modificarla per sempre. Si aggiunge “Gaia-” davanti per non confonderlo con la luna di Saturno che ha lo stesso nome.

Cosa sappiamo di Encelado? Praticamente tutto, almeno in proporzione a quel che si poteva sperare di sapere di un oggetto morto e digerito miliardi di anni fa:

• Era grande, ma non grandissimo: la sua massa di stelle al momento dell’impatto era simile a quella attuale della Piccola Nube di Magellano, una galassia che oggi possiamo ancora vedere accanto alla Via Lattea (dall’emisfero australe). Niente di mostruoso in assoluto, ma rispetto a una Via Lattea ancora in fase di costruzione era un boccone serio.
• Il rapporto di massa con la proto-Galassia era di circa 1 a 4. Tradotto: non fu un’inghiottita facile. Per ogni quattro chili di “noi”, ce n’era uno di Encelado. Una collisione di questa portata non si limita ad aggiungere stelle: scuote, riscalda, gonfia il disco preesistente.
• L’impatto è avvenuto circa 10 miliardi di anni fa. E qui c’è un risultato chiave: la collisione con Encelado è stata così violenta da rendere il disco originale della Via Lattea più alto, più gonfio, più “caldo” dinamicamente. Quel disco gonfiato lo vediamo ancora oggi, e ha un nome: si chiama disco spesso, ed è uno strato di stelle vecchie che si trova subito sopra e sotto il piano dove abitiamo noi. Senza Encelado, probabilmente, il disco spesso non esisterebbe nella forma in cui lo vediamo.

L’eleganza del risultato di Helmi e collaboratori sta nel fatto che le prove arrivano da più direzioni e si incastrano alla perfezione (Figura 2). Non è solo questione di moti “strani”: c’è anche un test chimico. Le stelle di Encelado, infatti, hanno una “carta d’identità” delle abbondanze degli elementi diversa da quella delle stelle del disco. È come se, oltre al passaporto sbagliato, avessero anche un accento che le tradisce: In una galassia, le proporzioni tra i vari elementi chimici (ossigeno, ferro, magnesio, e così via) dipendono da quanto in fretta la galassia ha formato stelle nel corso della sua vita. Galassie più piccole e con storie di formazione più lente hanno proporzioni leggermente diverse rispetto a galassie grandi e con formazione veloce, come la Via Lattea. È un dettaglio sottile ma misurabile: per gli astronomi è come confrontare due ricette di pane che usano gli stessi ingredienti in dosi diverse.

A questo si aggiunge che persino un drappello di ammassi globulari (di cui parleremo tra poco) condivide le stesse orbite e le stesse caratteristiche di Encelado. Quando da quattro indizi indipendenti viene fuori la stessa storia, la storia è molto probabilmente vera.

Una cronologia con un buco

A questo punto, sembrava che il quadro fosse chiuso. Encelado era il colpevole, il merger principale, l’evento che aveva plasmato la Via Lattea come la conosciamo. Negli anni successivi sono stati identificati anche altri ospiti minori, ma tutti più piccoli e più recenti di Encelado.

Ma c’era un problema. Anzi, due.

Il primo è che le simulazioni al computer del cosmo – quei programmi giganteschi che ricostruiscono come si formano le galassie a partire dal Big Bang – prevedono che una galassia delle dimensioni della Via Lattea debba aver inghiottito tra 1 e 4 oggetti significativi nel corso della sua storia. Encelado è uno. Mancavano gli altri. O meglio: doveva essercene almeno uno prima di Encelado, nell’epoca più buia e remota dell’infanzia galattica. Ma trovarlo era un’altra storia.

Il secondo problema, che è poi il cuore della questione, si può riassumere così: più indietro vai nel tempo, più tutto si assomiglia. Le proto-galassie che si stavano fondendo nei primissimi miliardi di anni erano tutte piccole, tutte povere di elementi pesanti, tutte con storie di vita brevi e simili tra loro. Distinguerle dai loro moti è quasi impossibile, perché il centro della Galassia è un mixer naturale: le orbite si sono mescolate, rimaneggiate dalla gravità e dalla barra centrale della Via Lattea (un ammasso allungato di stelle che ruota nel cuore della Galassia, agitando le orbite vicine come un cucchiaio in una tazza di caffè). La memoria di dove ogni stella sia veramente nata si è in gran parte cancellata. E distinguerle chimicamente è altrettanto difficile: nei regimi più “primitivi”, le firme di una galassia ingoiata e quelle di stelle nate sul posto si sovrappongono.

Negli anni più recenti sono state proposte diverse strutture per riempire questo vuoto, con nomi che sembrano usciti da un fumetto fantasy: Kraken, Heracles, il Low-energy group (cioè il “gruppo a bassa energia”). Nomi diversi che, a guardarli da vicino, indicavano spesso le stesse cose o cose simili: un gruppo di stelle e ammassi nelle regioni più interne della Galassia, con caratteristiche da popolazione antica e accreta. Ma era davvero una galassia ingoiata, o erano stelle nate in loco molto presto? Il dibattito era aperto, contestato, irrisolto.

Serviva un orologio più preciso.

L’orologio nascosto: gli ammassi globulari

Per uscire dall’ambiguità, bisogna trovare qualcosa che permetta di datare gli oggetti, non solo di descriverli. E datare le stelle, una per una, è notoriamente difficile. Ma c’è un’eccezione: gli ammassi globulari.

Un ammasso globulare è uno sciame compatto di centinaia di migliaia (a volte milioni) di stelle, tutte nate praticamente nello stesso momento e dalla stessa nube di gas. Sono tra gli oggetti più antichi dell’universo: molti di loro hanno più di 12 miliardi di anni. Pensali come “scatole nere” cosmiche: contengono migliaia di stelle gemelle, e questo permette di stimare l’età dell’intero sistema con una precisione che, sulla singola stella, sarebbe semplicemente impossibile.

L’idea, allora, è di una semplicità disarmante: se ogni galassia che la Via Lattea ha ingoiato ha portato con sé i suoi ammassi globulari come una specie di dote di nozze, e se ogni galassia ha avuto una sua storia chimica specifica (cioè il modo in cui i suoi elementi pesanti si sono accumulati nel tempo), allora gli ammassi globulari di origini diverse devono disporsi su “linee” distinte quando li metti in un grafico età contro composizione chimica. Ogni linea è la firma di una galassia diversa.

Il problema, fino a poco tempo fa, era che le età degli ammassi globulari venivano misurate in modo eterogeneo: telescopi diversi, filtri diversi, modelli teorici diversi. Confrontarle era come confrontare temperature misurate in Celsius, Fahrenheit e Kelvin senza dirsi quale fosse quale: si vedevano differenze che non erano vere, e si nascondevano differenze che invece c’erano. Ci voleva un set di dati omogeneo, trattato con la stessa procedura, dall’inizio alla fine.

Ed è esattamente quello che ha fatto il progetto CARMA (Cluster Ages to Reconstruct the Milky Way Assembly, cioè “le età degli ammassi per ricostruire l’assemblaggio della Via Lattea”): prendere immagini del telescopio spaziale Hubble di un buon numero di ammassi globulari, trattarle tutte allo stesso modo, ripulirle dalle stelle “intruse” che si sovrappongono per prospettiva, e confrontarle con modelli teorici di evoluzione stellare con una procedura statistica robusta. Il risultato finale: età relative con errori di poche centinaia di milioni di anni. Per un oggetto che ha 13 miliardi di anni alle spalle, è una precisione clamorosa.

L’arrivo di LKH

A questo punto si possono mettere insieme tutti i pezzi. Le età di 39 ammassi globulari misurate con questa nuova precisione, le loro orbite calcolate in modo realistico (tenendo conto anche della barra centrale di cui parlavamo prima), e una rigorosa analisi statistica che si chiede: quante “famiglie” distinte di ammassi servono per spiegare quello che vediamo?

La risposta arriva netta. Il numero più probabile di famiglie distinte è tre, non due, e non quattro.

• Una di queste famiglie sono gli ammassi nati in casa, nella proto-Via Lattea originale. Si dispongono su una loro linea ben definita.
• Un’altra famiglia sono gli ammassi di Encelado, che disegnano una linea separata.
• Ma c’è una terza famiglia, intermedia tra le altre due, che fino ad ora era sfuggita: 12 ammassi confinati nelle regioni più interne della Galassia (entro circa 20.000 anni luce dal centro), con una linea età-chimica tutta sua, dinamicamente compatibile con il vecchio “Low-energy group” ma chimicamente distinta sia dalle stelle nate in casa, sia da quelle di Encelado (Figura 3).

A questa terza famiglia bisognava dare un nome. Onorando i tentativi precedenti di identificare questa struttura sfuggente – il Low-energy group, il presunto Kraken, la chemo-dinamica Heracles – il nome scelto è stato LKH, le iniziali dei tre. Un acronimo onesto, che dice: questa è la versione finalmente pulita di tutto quello che la letteratura aveva intuito a pezzi, senza riuscire a metterlo a fuoco.

E qui arriva il colpo da maestro. Mettendo insieme la chimica e i moti, si possono stimare le proprietà del progenitore. Per LKH:

• Massa stellare: circa 500 milioni di Soli, sostanzialmente identica a quella di Gaia-Enceladus. Non un piccolo satellite. Un’altra galassia importante.
• Quando è successo: circa 1,5 miliardi di anni prima di Encelado. Cioè circa 12 miliardi di anni fa.

Ricapitoliamo, perché la cosa è importante. L’universo ha poco meno di 14 miliardi di anni. LKH si è fuso con quella che sarebbe diventata la Via Lattea 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang. La nostra Galassia, ancora in fasce, ha incontrato un compagno di taglia paragonabile e l’ha digerito, riversandone i resti nelle sue regioni più interne. Quel pasto è ancora lì sotto i nostri occhi: lo abbiamo solo guardato male per anni.

E adesso?

Il risultato chiude due conti vecchi e ne apre uno nuovo.

Chiude la disputa sulle entità “tante e indistinte” – Kraken, Heracles, Low-energy group – che si contendevano lo stesso pezzo di cielo. LKH è la loro versione pulita, anzi: è il singolo evento massiccio da cui derivava la confusione. Le simulazioni al computer di galassie simili alla Via Lattea (come il progetto Auriga) producono in modo notevole le stesse tre famiglie che vediamo nei dati reali, e questa è una conferma teorica solidissima.

Chiude anche, e questo è forse il punto più affascinante, il primato di Encelado come “il grande merger” della Via Lattea. La verità è che ce n’è stato uno ancora più antico, paragonabile per massa, ma molto più remoto nel tempo. La storia dell’assemblaggio della nostra Galassia non comincia con Encelado: comincia con LKH.

E apre, ovviamente, il problema successivo. Se LKH è stato così importante, dove sono le sue stelle? Gli ammassi globulari sono solo la punta visibile dell’iceberg: il grosso della massa stellare di una galassia ingoiata non sta negli ammassi, sta nelle stelle singole, sparse e mescolate al resto. Trovarle e identificarle, una per una, è la prossima sfida. Aiuteranno missioni future come PLATO (un telescopio dell’ESA che misurerà l’età delle stelle “ascoltando” le loro vibrazioni interne, un po’ come si ricava lo spessore di un muro dando un colpetto e sentendo che suono fa) e le prossime analisi dei dati di Gaia.

Restano i ragionamenti più larghi, quelli che alla fine raccontano il senso di tutto questo. La Via Lattea che vediamo oggi – il Sole, i pianeti, noi stessi – non è il prodotto di una nascita pulita. È il risultato di una serie di collisioni, fusioni, digestioni cosmiche che hanno costruito pezzo dopo pezzo l’architettura in cui viviamo. Ogni stella nel cielo notturno è, in un senso letteralmente storico, il sopravvissuto di un evento accaduto prima che la Terra esistesse, prima che il Sole esistesse, in un’epoca in cui l’universo aveva poco più di un decimo della sua età attuale.

Adesso, finalmente, sappiamo il nome del primo grande di quegli incontri.

Era LKH, ed era già lì 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, ad aspettarci.

Tratto dall’articolo Evidence of a massive accretion event 1.8 billion years before the Gaia-Sausage-Enceladus merger.