Il mondo delle galassie si articola in una varietà di forme e caratteristiche, ma se dovessimo semplificare al massimo potremmo dire che ci sono due tipi di galassie agli antipodi: le grandi ellittiche, con una forma sferoidale simile a un pallone da rugby più o meno allungato, e al cui interno le stelle non seguono un senso di marcia ordinato – in gergo si dice che c’è un’elevata dispersione di velocità; e le galassie a spirale come la Via Lattea, il cui centro (o bulge) è simile a una galassia ellittica in miniatura, e che si estendono poi in una struttura a disco piatta e caratterizzata da bracci in cui si concentrano le stelle, e nel quale il moto è coerente e ordinato. Ma quanto è caotica, davvero, una galassia come la Via Lattea? Se lo sono chiesto i ricercatori dell’Osservatorio di Leiden e, per rispondere, hanno condotto una serie di simulazioni, descritte in un articolo sottomesso a Astronomy & Astrophysics.
L’immagine mostra due simulazioni quasi identiche di una galassia. Il punto arancione e quello rosso rappresentano la stessa stella in due simulazioni che differiscono solo minimamente l’una dall’altra. Quella piccola differenza si accentua col tempo fino a determinare una posizione chiaramente divergente. Crediti: UL/Portegies Zwart/Asano
Le simulazioni hanno ricreato centinaia di modelli di galassie simili alla Via Lattea: dischi piatti di stelle immersi in una grande nube invisibile di materia oscura che mantiene il sistema coeso. Per ciascun esperimento sono state eseguite due simulazioni quasi identiche, differenti soltanto per un dettaglio minimo – per esempio, un piccolo spostamento nella posizione di una singola stella. Con il passare del tempo, si è visto che questa lieve differenza si amplifica fino a produrre cambiamenti strutturali visibili: i bracci a spirale si sviluppano in modo diverso e la barra centrale ruota in maniera differente.
Questo fenomeno ricorda il noto “effetto farfalla”, secondo cui piccole variazioni nelle condizioni iniziali di un sistema possono produrre grandi conseguenze. In astronomia, però, questa idea entra in conflitto con una visione che si riteneva consolidata: dal momento che una galassia contiene centinaia di miliardi di stelle, si presume che si comporti come un sistema regolare, nel quale le piccole perturbazioni tendono a compensarsi mediamente. Lo studio mostra invece il contrario: perturbazioni anche minime possono crescere fino a generare differenze osservabili.
«È piuttosto sorprendente che la Via Lattea, con così tante stelle da far pensare a un comportamento regolare, si riveli invece tanto caotica», dice Simon Portegies Zwart, professore al Leiden Observatory e unico coautore dello studio assieme a Tetsuro Asano.
Questa apparente contraddizione ha portato in passato a risultati discordanti. Alcune simulazioni suggerivano che le galassie diventassero più caotiche all’aumentare del numero di stelle considerate, mentre altre indicavano l’opposto. Il nuovo lavoro di Asano e Portegies Zwart chiarisce l’origine di questa discrepanza.
In molte simulazioni, la gravità alle distanze molto piccole viene infatti “smussata” (in inglese, softened) per mantenere i calcoli numericamente stabili e computazionalmente sostenibili. Di conseguenza, le stelle vengono trattate come piccole nubi diffuse anziché come punti esatti, e le intense interazioni ravvicinate che alimentano il caos risultano artificialmente attenuate. Variando sistematicamente il grado di questo “smussamento”, i ricercatori mostrano in quali condizioni una simulazione riesca a rappresentare fedelmente una galassia reale e in quali invece no.
Da ciò emerge anche un’importante implicazione pratica: non tutte le simulazioni sono ugualmente affidabili quando si tratta di descrivere la struttura fine di una galassia. Alcune caratteristiche compaiono sistematicamente, come la formazione di una barra stellare centrale, che emerge approssimativamente nello stesso momento in tutte le simulazioni. Altre proprietà – come la forma precisa della barra o la morfologia dei bracci a spirale – dipendono invece in modo sensibile da differenze iniziali anche molto piccole.
«In pratica, la Via Lattea diventa imprevedibile dopo circa un milione di anni», dice Portegies Zwart. Un intervallo di tempo estremamente breve rispetto all’età della Via Lattea – circa dieci miliardi di anni – equivalente grosso modo a un singolo secondo nell’arco di una vita umana.
Allo stesso tempo, lo studio mostra che queste differenze non crescono indefinitamente: l’effetto farfalla ha dei limiti. Due simulazioni possono evolvere verso configurazioni differenti, con bracci a spirale diversi o una barra orientata in altro modo, pur rimanendo entrambe chiaramente riconoscibili come galassie a spirale.
«Questo risolve il paradosso per cui le galassie possono comportarsi simultaneamente in modo regolare e caotico», conclude Portegies Zwart. «Siamo riusciti a quantificare in che misura le scelte effettuate in una simulazione determinino il livello di caos osservato. Questo non solo spiega come una singola stella possa alterare l’evoluzione di un’intera galassia, ma anche come sia possibile modellizzare questi processi in modo affidabile».
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