Funzione iniziale di massa stellare: nuovi studi teorici ne spiegano la variabilità

Scoperta una nuova soluzione teorica al problema della funzione iniziale di massa stellare (IMF) variabile che permette di spiegare una serie di recenti osservazioni che hanno messo in crisi il precedente modello di IMF universale. Il risultato ottenuto da un team internazionale guidato da Fabio Fontanot (INAF-Osservatorio astronomico di Trieste) e' pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

La funzione iniziale di massa stellare (IMF) e' un parametro di fondamentale importanza per i modelli teorici di formazione ed evoluzione delle galassie nel modello cosmologico standard. l'IMF infatti descrive la distribuzione delle stelle formatisi in un episodio di formazione stellare in funzione della loro massa e, dal momento che questo parametro fisico ne caratterizza l'evoluzione, governa l'abbondanza relativa dei diversi tipi spettrali. In particolare, l'IMF determina sia la quantita' di materia barionica che rimane intrappolata in stelle di bassa massa (la cui vita media e' superiore all'eta' dell'Universo), sia il numero di stelle destinate ad esplodere come supernovae (sia di tipo I che di tipo II), restituendo energia, metalli e massa al gas interstellare.

Fino a pochi anni fa, l'evidente invarianza dell'IMF nelle regioni di formazioni stellare della Via Lattea (le uniche sufficentemente vicine da poter essere risolte in singole stelle) aveva portato all'affermarsi della nozione dell'universalita' sia spaziale che temporale dell'IMF. L'avvento di nuove tecniche osservative (quali
Integral Field Units e spettroscopia ad alta risoluzione) ha recentemente permesso di mappare con maggiore accuratezza le proprieta' dinamiche e spettroscopiche delle galassie vicine e di realizzare che queste differiscono significativamente con quelle attese nel caso in cui l'IMF sia universale. Si sta quindi delineando un nuovo scenario ad IMF variabile. Va sottolineato che queste evidenze sono sostanzialmente indirette e basate sull'analisi di popolazione stellare composite, ottenuta cioe' come sintesi delle singole popolazioni stellari che si sono formate durante l'evoluzione della galassie, ognuna delle quali potenzialmente caratterizzata da una sua propria IMF.

La definizione di un adeguato scenario teorico che descriva la possibile evoluzione temporale della IMF in funzione dell'evoluzione delle proprieta' fisiche della galassia e' diventato quindi un importante aspetto per comprendere appieno la crescita delle strutture cosmiche. Fabio Fontanot (INAF-Osservatorio astronomico di Trieste) ha guidato un team internazionale che ha proposto una nuova soluzione al problema della IMF variabile, recentemente pubblicata su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (https://arxiv.org/abs/1807.01319). La loro soluzione si basa sia su considerazioni analitiche che su risultati di simulazioni numeriche per descrivere le proprieta' delle regioni di formazione stellare e utilizza come parametri fondamentale il tasso di formazione stellare e il campo di densita' dei raggi cosmici. Partendo da queste informazioni, ad ogni epoca cosmica, Fontanot e collaboratori possono quindi predire la forma funzionale media dell'IMF attesa per una data galassia. Nel dettaglio, le soluzioni proposte predicono una variabilita' dell'IMF sia per stelle di alta massa (responsabili per l'arricchimento chimico e per il feedback stellare), che per stelle di bassa massa (ovvero per la massa barionica totale della galassie in esame). Questa caratteristica permette a questo scenario di IMF variabile di riprodurre allo stesso tempo tutta una serie di osservazioni che sarebbe difficile spiegare assumendo che solo una delle due popolazioni stellari sia caratterizzata da una IMF diversa rispetto a quella osservata nella Via Lattea. La sfida ora si sposta nell'implementare questo approccio in maniera autoconsistente in una modello di formazione galattica, per studiarne nel dettaglio tutte le possibili implicazioni a livello dell'evoluzione delle diverse popolazioni di galassie a diverse epoche cosmiche.

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Evoluzione della forma funzionale della IMF nell'approccio proposto da Fontanot e collaboratori. Ogni pannello si riferisce ad un diverso valore del campo di densita' dei raggi cosmici (U_CR, normalizzato al valore relativo alla Via Lattea U_MW), mentre le linee di diverso colore corrispondono a diversi valori del tasso di formazione stellare (SFR). La linea sottile nera in ogni pannello rappresenta la IMF tipica per la Via Lattea.