Come una singola stella può rimodellare un’intera galassia

Gli astronomi che simulano le galassie non ottengono sempre lo stesso risultato, nemmeno partendo da condizioni identiche. Una nuova ricerca dell’Università di Leiden dimostra che questo non è un difetto, ma una conseguenza del comportamento delle galassie e del modo in cui vengono modellate.

I risultati offrono, per la prima volta, un modo per affrontare un quesito di lunga data: quanto è caotica una galassia come la Via Lattea? Le simulazioni al computer di Tetsuro Asano e Simon Portegies Zwart (Osservatorio di Leiden) saranno presto pubblicate su Astronomy & Astrophysics e sono già disponibili sul server di preprint arXiv .

I ricercatori hanno creato centinaia di modelli di galassie simili alla Via Lattea: dischi piatti di stelle, immersi in una grande e invisibile nube di materia oscura che tiene insieme il sistema. In ogni esperimento, hanno eseguito due simulazioni quasi identiche, che differivano solo per un piccolo dettaglio, ad esempio un lieve spostamento nella posizione di una singola stella. Col tempo, questa piccola differenza si trasforma in cambiamenti strutturali visibili: i bracci a spirale si sviluppano in modo diverso e la barra centrale ruota in un altro modo.

Piccole cause, grandi effetti

Questo fenomeno ricorda il ben noto effetto farfalla, in cui piccole cause possono portare a grandi conseguenze. In astronomia, quest’idea si scontra con la visione tradizionale. Una galassia contiene centinaia di miliardi di stelle, quindi si presume spesso che si comporti come un sistema uniforme in cui le piccole perturbazioni si compensano a vicenda. Questo studio dimostra il contrario: piccole perturbazioni possono trasformarsi in differenze percettibili.

“È davvero sorprendente che la Via Lattea, con così tante stelle da far pensare che si comporti in modo regolare, risulti invece così caotica”, afferma Portegies Zwart.

Questa tensione ha portato a risultati contrastanti nelle ricerche precedenti. Alcune simulazioni suggerivano che le galassie diventassero più caotiche con l’aumentare del numero di stelle, mentre altre riscontravano il contrario. Il nuovo lavoro di Asano e Portegies Zwart spiega l’origine di questa differenza.

In molte simulazioni, la gravità a distanze molto piccole viene “attenuata” per mantenere i calcoli stabili e gestibili. Di conseguenza, le stelle vengono trattate come piccole nubi anziché come punti precisi, e le forti interazioni ravvicinate che generano il caos vengono di fatto smussate. Variando sistematicamente l’entità di questo “attenuazione”, i ricercatori dimostrano quando una simulazione riflette accuratamente una galassia reale e quando non lo fa.

Una Via Lattea imprevedibile

Questo porta a un’importante considerazione pratica: non tutte le simulazioni sono ugualmente affidabili quando si tratta di comprendere i dettagli più minuti di una galassia. Alcune caratteristiche sono sempre presenti, come la formazione di una “barra” centrale di stelle, che emerge all’incirca nello stesso momento in tutte le simulazioni. Altre proprietà, come la forma esatta di quella barra o la struttura dei bracci a spirale, risultano dipendere fortemente da differenze minime.

“In effetti, la Via Lattea diventa imprevedibile dopo circa un milione di anni”, afferma Portegies Zwart.

Si tratta di un periodo brevissimo se paragonato all’età della Via Lattea (circa dieci miliardi di anni), che equivale all’incirca a un solo secondo nella vita di un essere umano.

Un paradosso risolto

Allo stesso tempo, lo studio dimostra che queste piccole differenze non continuano a crescere indefinitamente; l’effetto farfalla ha i suoi limiti. Due simulazioni possono finire per apparire diverse, con bracci a spirale differenti o una barra orientata in modo diverso, ma entrambe rimangono comunque riconoscibili come galassie a spirale.

“Questo risolve il paradosso per cui le galassie possono comportarsi contemporaneamente in modo fluido e caotico”, afferma Portegies Zwart. “Ora abbiamo quantificato come le scelte in una simulazione determinino la quantità di caos che si osserva. Ciò non solo spiega come una singola stella possa rimodellare un’intera galassia, ma anche come possiamo modellare questo fenomeno in modo affidabile.”

Sistemi autogravitanti di  Le particelle sono caotiche. Ci chiediamo quanto sia caotica la Galassia e quali siano le conseguenze. Pertanto, simuliamo l’evoluzione dinamica di una distribuzione su scala galattica di masse puntiformi al fine di misurare il grado di caos in un tale sistema. Questi calcoli sono stati eseguiti utilizzando il modello gravitazionale ammorbidito.  -body tree-code Bonsai, con fino a 40 milioni di particelle di massa uguale. Sono state eseguite simulazioni più piccole per stabilire la scalatura del tempo di Lyapunov     con  . Stabiliamo le relazioni tra il grado di caos, il numero di particelle e la lunghezza di rammollimento nel calcolo della forza gravitazionale su larga scala  simulazioni di corpi. Il momento in cui si forma la barra appare insensibile a perturbazioni infinitesime rispetto alla realizzazione iniziale. Al contrario, la forza della barra e la sua ulteriore evoluzione dipendono sensibilmente da tali perturbazioni. È interessante notare che la variazione da una simulazione all’altra della forza della barra ha il suo massimo intorno alla forza massima della barra e diminuisce fino al momento in cui la barra si piega. Le galassie che abbiamo simulato sono altamente caotiche, ma l’ammorbidimento nelle simulazioni sopprime il caos. Tuttavia, i nostri modelli mostrano notevoli variazioni nel comportamento macroscopico dovute a perturbazioni infinitesime rispetto alle condizioni iniziali. Le galassie reali, tuttavia, dovrebbero essere di ordini di grandezza più caotiche delle nostre simulazioni e non siamo in grado di quantificarne le conseguenze. I potenziali galattici uniformi per studiare le orbite stellari individuali dovrebbero essere trattati con cautela su scale temporali più lunghe del tempo di Lyapunov. Estrapolando al numero di stelle nella Galassia, ignorando pianeti e altri corpi minori, concludiamo che le galassie di dimensioni simili alla Via Lattea sono caotiche su una scala temporale  Myr.

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