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Mezzo interstellare e proto-stelle

La conoscenza della composizione chimica e fisica del mezzo interstellare, della sua evoluzione, e del processo che porta alla formazione di una stella è uno dei principali problemi dell’astrofisica moderna. A tale conoscenza è legata la comprensione del meccanismo con cui si formano i pianeti e alla comprensione della fisica che regola le galassie e la loro evoluzione.

Grandi progressi in questo campo si sono potuti realizzare solo in tempi relativamente recenti, rispetto ad altri filoni dell'astrofisica stellare, grazie all'enorme sviluppo tecnologico nel campo della strumentazione nell'infrarosso e nel millimetrico e sub-millimetrico, che sono le bande spettrali dove vengono meglio tracciate le regioni di formazione stellare. Citiamo qui facility internazionali come il telescopio spaziale NASA Spitzer, il Very Large Telescope Interferometer – VLTI - dell’ESO per l’interferometria millimetrica e infrarossa e l’Hubble Space Telescope - HST - per le osservazioni ottiche e ultra-violette ad alta risoluzione.

Grazie all’eccellenza italiana in questi campi i nostri ricercatori vantano un significativo successo nelle richieste di tempo di osservazione attraverso Large Program e nella realizzazione di nuovi strumenti quali l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array – ALMA – che verrà inaugurato nella sua configurazione finale nel 2012 ma operativo già dal 2011, e l'Herschel Space Observatory, il primo telescopio spaziale a coprire tutte le lunghezze d'onda del lontano infrarosso a quelle submillimetriche. Di alto impatto risultano anche essere, per studi legati alle prime fasi della formazione stellare, le osservazioni tramite spettroscopia a bassa, media e alta risoluzione ottica e infrarossa con strumentazione VLT.

Per quanto concerne il mezzo interstellare sono stati compiuti enormi progressi negli ultimi anni nella comprensione della chimica che avviene all’interno delle nubi molecolari alle diverse scale spaziali, cioè dalle nubi diffuse, ai nuclei pre-stellari fino ai dischi circumstellari. Questi studi sono stati portati avanti attraverso gli sviluppi di modelli chimici sempre più complessi, associati ad osservazioni di varie specie molecolari utilizzando strumentazione, sia da terra che dallo spazio, nell’intervallo spettrale che va dall’infrarosso al radio.

Molto più difficoltosa è invece l’osservazione delle regioni in cui avvengono i processi di formazione stellare. L’unico tracciante delle protostelle risulta infatti essere la radiazione a bassa energia emessa dalla polvere fredda e dalle molecole complesse presenti in tali regioni; questa limitatezza nell’osservazione rende quindi difficile, per ora, porre vincoli significativi ai modelli teorici.

La maggior parte della nostra conoscenza sul processo di formazione stellare è limitata a stelle di massa solare o più piccola. Tuttavia sono le stelle con masse maggiori di otto volte la massa del Sole, che dominano il rilascio d’energia delle galassie e l’evoluzione chimica dell’Universo. Per progredire in questo campo si sta portando avanti una indagine sistematica su larga scala della nostra galassia. Anche in questo caso le diverse teorie proposte trovano difficoltà ad essere confermate con dati osservativi appropriati.

Per quanto riguarda lo studio osservativo delle proprietà globali del mezzo interstellare e della formazione stellare, lo scopo è quello di utilizzare l’emissione della polvere a diverse lunghezze d’onda come tracciante delle condizioni fisiche del mezzo in tutte le fasi della formazione stellare.

Numerosi sono anche i programmi in corso riguardanti lo studio di protostelle e nuclei proto-stellari di piccola e grande massa con i quali si vorrebbe definire la caratterizzazione di sorgenti nelle primissime fasi della loro formazione. Altri progetti sono invece concentrati sullo studio dei getti di materia e radiazione proto-stellari e del loro impatto sul mezzo interstellare circostante.

A fianco delle indagini osservative vengono sviluppati studi teorici e di laboratorio, in particolare per lo studio delle polveri nella materia interstellare e nei nuclei proto-stellari. La maggior parte delle nostre conoscenze sulle proprietà chimico-fisiche delle polveri e delle molecole nel mezzo interstellare e circumstellare si basa, infatti, sul confronto fra osservazioni ed esperimenti di laboratorio effettuati, nella maggior parte dei casi, a bassa temperatura. Di grande rilevanza sono anche gli studi teorici che permettono di calcolare gli spettri teorici di macromolecole o nano-particelle a base di carbonio.

I codici numerici sviluppati per questi studi teorici utilizzano un'ampia gamma di risorse di calcolo nazionali e internazionali, dando un impulso notevole allo sviluppo tecnologico in campo informatico e, dal punto di vista prettamente astrofisico, producendo banche dati importantissime per la comunità scientifica internazionale perché rappresentano un'utile guida per la pianificazione e l'interpretazione di nuovi esperimenti e una risorsa preziosa per l'interpretazione delle osservazioni delle missioni spaziali future.

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