Caccia al tesoro della supernova: risolvere il caso delle stelle fantasma cosmiche

Il mistero delle supernove povere di idrogeno

Le supernove, esplosioni stellari tanto luminose quanto un’intera galassia, hanno affascinato l’umanità fin dalla notte dei tempi. Tuttavia, esiste un numero maggiore di supernove povere di idrogeno rispetto a quanto gli astrofisici riescano a spiegare. Recentemente, un nuovo professore assistente presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dell’Austria (ISTA) ha svolto un ruolo cruciale nell’identificare la popolazione di stelle precursori mancanti. I risultati, ora pubblicati su Science, risalgono a una conversazione avuta molti anni fa tra i professori coinvolti, all’epoca giovani scienziati.

• Il mistero delle supernove povere di idrogeno

• L’enigma delle supernove povere di idrogeno

• Stelle binarie e spogliamento dell’involucro

• Non solo un ago nel pagliaio

• Dagli studenti laureati ai leader in astrofisica

L’enigma delle supernove povere di idrogeno

Alcune stelle non si spengono semplicemente, ma esplodono in un’esplosione stellare che può eclissare intere galassie. Questi fenomeni cosmici, chiamati supernove, diffondono luce, elementi, energia e radiazioni nello spazio e inviano onde d’urto galattiche che possono comprimere le nubi di gas e generare nuove stelle. In altre parole, le supernove modellano il nostro universo. Tra queste, le supernove povere di idrogeno derivanti da stelle massicce esplose hanno a lungo lasciato perplessi gli astrofisici. Il motivo: gli scienziati non sono stati in grado di identificare le loro stelle precursori. È quasi come se queste supernove apparissero dal nulla.

“Esistono molte più supernove povere di idrogeno di quante i nostri modelli attuali possano spiegare. O non riusciamo a rilevare le stelle che maturano su questo percorso, o dobbiamo rivedere tutti i nostri modelli”, afferma la professoressa assistente dell’ISTA, Ylva Götberg. Lei ha pionieristicamente condotto questo lavoro insieme a Maria Drout, membro associato della facoltà del Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, Università di Toronto, Canada.

“Le stelle singole esploderebbero tipicamente come supernove ricche di idrogeno. Essere poveri di idrogeno indica che la stella precursore deve aver perso il suo spesso involucro ricco di idrogeno. Questo avviene naturalmente in un terzo di tutte le stelle massicce attraverso lo spogliamento dell’involucro da parte di una stella compagna binaria”, spiega Götberg.

Ora, Götberg e Drout hanno combinato le loro aree di competenza nella modellazione teorica e nell’osservazione per rintracciare le stelle mancanti. La loro ricerca è stata coronata dal successo: hanno documentato una popolazione di stelle senza precedenti che finalmente colma un grande vuoto di conoscenza e getta luce sull’origine delle supernove povere di idrogeno.

Stelle binarie e spogliamento dell’involucro

Le stelle che Götberg e Drout cercano vanno in coppia: bloccate in un sistema stellare binario. Alcuni sistemi binari sono ben noti a noi terrestri: questi includono la stella più luminosa nel nostro cielo notturno, Sirius A, e la sua debole stella compagna Sirius B. Il sistema binario di Sirius si trova a soli 8,6 anni luce dalla Terra, un tiro di schioppo in termini cosmici. Questo spiega la luminosità osservata di Sirius A nel nostro cielo notturno.

Gli astrofisici si aspettano che le stelle mancanti siano inizialmente formate da sistemi binari massicci. In un sistema binario, le stelle orbiterebbero l’una intorno all’altra fino a quando l’involucro spesso e ricco di idrogeno della stella più massiccia si espande. Alla fine, l’involucro in espansione sperimenta una forza gravitazionale più forte verso la stella compagna che verso il proprio nucleo.

Ciò provoca l’inizio di un trasferimento di massa, che alla fine porta all’intero involucro ricco di idrogeno a essere spogliato, lasciando esposto il nucleo compatto e caldo di elio, più di 10 volte più caldo della superficie del Sole. Questo è esattamente il tipo di stelle che Götberg e Drout stanno cercando.

Non solo un ago nel pagliaio

Prima dello studio di Götberg e Drout, solo una stella era stata trovata per soddisfare i criteri di massa e composizione previsti e fu chiamata “Quasi-WR” (o “Quasi Wolf-Rayet”).

“Tuttavia, le stelle che seguono questo percorso hanno una vita così lunga che molte devono essere sparse in tutto l’universo osservabile”, afferma Götberg.

Gli scienziati semplicemente non le “vedevano”? Così, Götberg e Drout hanno fatto affidamento sulle loro competenze complementari. Con l’aiuto della fotometria UV e della spettroscopia ottica, hanno identificato una popolazione di 25 stelle coerenti con le aspettative per le stelle di elio di massa intermedia. Le stelle si trovano in due galassie vicine ben studiate, la Grande e la Piccola Nube di Magellano.

“Abbiamo dimostrato che queste stelle erano più blu della linea di nascita stellare, la fase più blu nella vita di una stella singola. Le stelle singole maturano evolvendo verso la regione più rossa dello spettro. Una stella si sposta nella direzione opposta solo se i suoi strati esterni vengono rimossi, qualcosa che ci si aspetta sia comune nelle stelle binarie interagenti e raro tra le stelle massicce singole”, spiega Götberg.

Gli scienziati hanno poi verificato la loro popolazione di stelle candidate utilizzando la spettroscopia ottica: hanno dimostrato che le stelle avevano forti segni spettrali di elio ionizzato.

“Le linee forti di elio ionizzato ci dicono due cose importanti: prima, confermano che gli strati più esterni delle stelle sono dominati dall’elio e, secondo, che la loro superficie è molto calda. Questo è ciò che accade alle stelle lasciate come un nucleo compatto e ricco di elio esposto dopo lo spogliamento”, afferma Götberg.

Tuttavia, entrambe le stelle in un sistema binario contribuiscono agli spettri osservati. Pertanto, questa tecnica ha permesso ai ricercatori di classificare la loro popolazione di candidate a seconda di quale stella contribuisse di più allo spettro.

“Questo lavoro ci ha permesso di trovare la popolazione mancante di stelle di elio spogliate di massa intermedia, i progenitori previsti delle supernove povere di idrogeno. Queste stelle sono sempre state lì e probabilmente ce ne sono molte altre là fuori. Dobbiamo semplicemente trovare modi per trovarle”, afferma Götberg. “Il nostro lavoro potrebbe essere uno dei primi tentativi, ma dovrebbero essere possibili altri modi”.

Dagli studenti laureati ai leader in astrofisica

L’idea dietro questo progetto è scaturita da una discussione seguita a un intervento di Götberg a una conferenza a cui lei e Drout hanno partecipato durante i loro studi di dottorato. Entrambi gli scienziati, allora giovani ricercatori in cerca di stelle, sono ora leader di gruppo nel loro campo.

Götberg si è unita all’ISTA a settembre dopo la sua ricerca presso gli Osservatori Carnegie di Pasadena, in California, come borsista post-dottorato della NASA Hubble. All’ISTA, Götberg si unisce alle crescenti fila di giovani leader di gruppo in astrofisica e guida il proprio gruppo focalizzato sullo studio delle interazioni binarie delle stelle.