Lo stato fisico e l’evoluzione delle galassie sono governati dal complesso ciclo che coinvolge la loro materia e la loro energia. Agenti dinamici globali, quali la collisione tra galassie o i bracci di spirale e le barre, guidano su grande scala il processo della nascita delle stelle. Viceversa, l’energia e il momento immesso a piccole scale dalle nuove stelle che si formano producono turbolenza e influenzano la dinamica a larga scala del mezzo interstellare. Il feedback delle stelle (radiazione, venti, esplosioni di supernovae) determina la chimica e la temperatura del mezzo interstellare, che a loro volta influiscono sulla formazione delle stelle, dando luogo ad un ciclo di processi interconnessi. All’interno di questo ciclo, che interessa scale spaziali molto diverse, si possono individuare classi di oggetti peculiari a ciascuna scala. Questi sono: le nubi molecolari giganti, che costituiscono la parte densa del mezzo interstellare; i cluster di stelle che si formano al loro interno; i core densi dai quali, sotto l’azione della gravità, si forma la nuova stella; contestualmente, si forma anche il suo sistema planetario, attraverso l’accrescimento di materia dal disco protoplanetario. Comprendere il complesso ecosistema della nostra Galassia con la sua gerarchia di scale spaziali interconnesse è lo scopo principale del progetto ECOGAL, un ambizioso progetto a largo respiro finanziato da un  ERC-Synergy Grant (2020-2026) con quattro PI: Sergio Molinari (INAF-IAPS), Patrick Hennebelle  (CEA-Saclay), Ralf Klessen (Heidelberg University) e Leonardo Testi (Università di Bologna). Lo scopo scientifico finale di ECOGAL è quello di produrre una visione globale dei processi che governano la formazione delle strutture nella Via Lattea alle varie scale spaziali, da quella dei dischi protoplanetari ai bracci di spirale, unendo insieme scale e agenti fisici che normalmente vengono studiati separatamente.

Una nuova generazione di dati osservativi si è resa disponibile per lo studio delle nubi molecolari. La migliore qualità di questi nuovi dati permette di derivare con maggiore precisione le proprietà fisiche delle nubi quali distanza, dimensione, massa, dispersione delle velocità e composizione chimica. Dal punto di vista teorico però, le simulazioni numeriche dell’intero disco galattico prodotte negli ultimi anni non sono ancora sufficientemente dettagliate per quanto riguarda la risoluzione spaziale e i processi fisici considerati. Con ECOGAL faremo un passo avanti, utilizzando nuove tecniche per incrementare la risoluzione spaziale in nuove simulazioni dell’intero disco galattico. Le condizioni al contorno e iniziali verranno prese guardando ai risultati delle ultime generazioni di surveys galattiche, in modo che i modelli sviluppati siano il più realistici possibili. Il nostro scopo è quello di costruire un database realistico di simulazioni di nubi molecolari in ambienti Galattici di diverso tipo con una risoluzione spaziale elevata. Si produrranno poi osservazioni sintetiche dei modelli teorici per poterli confrontare direttamente con le osservazioni reali.

Molte stelle si formano nei clusters, ma come questi si formino all’interno delle parti più dense delle nubi molecolari non è ancora chiaro. Le recenti osservazioni dell’interferometro ALMA, in particolare quelle del progetto ALMAGAL, permettono ora di osservare cluster molto giovani (proto-clusters), di studiare la loro frammentazione e la loro evoluzione a una risoluzione spaziale fino alle 1000 unità astronomiche per un ampio campione statistico (1000 sorgenti). Dal punto di vista teorico, studi analitici e simulazioni numeriche indicano che lo stato del gas nei proto-clusters è fortemente influenzato dalle condizioni iniziali e dinamiche della nube progenitrice. Non sono però disponibili studi sistematici che considerino l’impatto sia dell’ambiente che dei processi di feedback sull’evoluzione dei protoclusters. Facendo un zoom nelle simulazioni delle nubi molecolari sopra descritte fino alle dimensioni dei clusters potremmo, per la prima volta, seguire l’intero processo di formazione dei proto-clusters, fino a vedere i core densi che si formano al loro interno.

L’ultimo livello di scala è costituito dai dischi protoplanetari, le cui caratteristiche influenzano il sistema planetario che si forma al suo interno. I dischi si formano nelle fasi iniziali del processo di formazione stellare e planetaria e sopravvivono per diversi milioni di anni. Ancora molte sono le domande insolute nella comprensione dei processi che controllano l’evoluzione dei dischi. Ad esempio è il campo magnetico o la distribuzione del momento angolare nel core iniziale a controllare la formazione e la dimensione del disco? Affronteremo questa problematica con nuove survey osservative di dischi in regioni di formazione stellare di alta massa e con misure del campo magnetico. Dal punto di vista teorico, inizieremo a considerare le condizione ambientali nelle simulazioni dei dischi. Partendo dalle simulazioni sviluppate per i proto-cluster, faremo uno zoom a scale dei dischi, producendo così una popolazione di dischi simulati con delle condizioni ambientali appropriate e ne seguiremo l’evoluzione. Il confronto delle nuove simulazioni con la survey osservativa ci permetterà di produrre la distribuzione dei dischi che formano pianeti nella nostra Galassia. Useremo le simulazioni numeriche dei dischi come input per modelli di formazione planetaria, costruendo una popolazione sintetica di pianeti formatisi in cluster di stelle.

Riassumendo, mettendo insieme una vasta gamma di competenze in ambiti contigui, useremo le più recenti osservazioni astronomiche confrontandole con una nuova generazione di simulazioni numeriche a maggiore risoluzione spaziale e utilizzeremo strumenti di analisi innovativi specifici per una grande mole di dati per incrementare la nostra conoscenza negli ambiti fondamentali per ricostruire il processo di formazione stellare e planetaria nella Via Lattea, connettendo quattro ambiti di indagine fondamentali:

1. la caratterizzazione dei principali agenti dinamici nel mezzo interstellare

2. la definizione di come si formano e come evolvono le diverse fasi del mezzo interstellare

3. l'identificazione dei processi che governano la formazione delle stelle nelle nubi molecolari

4. la determinazione di come le condizioni ambientali influenzano le proprietà dei dischi protoplanetari e la loro capacità di formare pianeti.

Tutto ciò produrrà un modello unificato, con forte valenza predittiva, della Via Lattea come motore di formazione di stelle e pianeti.