Una simulazione di una stella a 3 masse solari mostra il nucleo centrale convettivo e le onde che genera nel resto dell'interno della stella. Credito: Philipp Edelmann
Gli astronomi si riferiscono comunemente alle stelle massicce come alle fabbriche chimiche dell'Universo. Generalmente finiscono la loro vita in spettacolari supernove, eventi che forgiano molti degli elementi della tavola periodica. Il modo in cui i nuclei elementari si mescolano all'interno di queste enormi stelle ha un grande impatto sulla nostra comprensione della loro evoluzione prima della loro esplosione. Rappresenta anche la più grande incertezza per gli scienziati che ne studiano la struttura e l'evoluzione.
Un team di astronomi guidato da May Gade Pedersen, una borsista post-dottorato presso il Kavli Institute for Theoretical Physics della UC Santa Barbara, ha ora misurato la miscelazione interna all'interno di un insieme di queste stelle utilizzando le osservazioni delle onde dal loro interno profondo. Sebbene gli scienziati abbiano già utilizzato questa tecnica in precedenza, questo articolo segna la prima volta che ciò è stato realizzato per un gruppo così grande di stelle contemporaneamente. I risultati, pubblicati in Astronomia naturale, mostrano che la miscelazione interna è molto varia, senza una chiara dipendenza dalla massa o dall'età di una stella.
Le stelle trascorrono la maggior parte della loro vita a fondere l'idrogeno in elio nel profondo dei loro nuclei. Tuttavia, la fusione in stelle particolarmente massicce è così concentrata al centro che porta a un nucleo convettivo turbolento simile a una pentola di acqua bollente. La convezione, insieme ad altri processi come la rotazione, rimuove efficacemente la cenere di elio dal nucleo e la sostituisce con l'idrogeno dall'involucro. Ciò consente alle stelle di vivere molto più a lungo di quanto altrimenti previsto.
Gli astronomi ritengono che questa mescolanza derivi da vari fenomeni fisici, come la rotazione interna e le onde sismiche interne nel plasma eccitato dal nucleo convettivo. Tuttavia, la teoria è rimasta in gran parte non vincolata dalle osservazioni poiché si verifica così in profondità all'interno della stella. Detto questo, esiste un metodo indiretto per scrutare le stelle: l'asterosismologia, lo studio e l'interpretazione delle oscillazioni stellari. La tecnica ha parallelismi con il modo in cui i sismologi usano i terremoti per sondare l'interno della Terra.
La miscelazione trasporta via il materiale fuso e lo sostituisce con più idrogeno dagli strati esterni della stella. Credito: May Gade Pedersen
"Lo studio delle oscillazioni stellari sfida la nostra comprensione della struttura e dell'evoluzione stellare", ha affermato Pedersen. "Ci consentono di sondare direttamente gli interni stellari e fare confronti con le previsioni dei nostri modelli stellari".
Pedersen e i suoi collaboratori della KU Leuven, dell'Università di Hasselt e dell'Università di Newcastle sono stati in grado di ricavare la miscelazione interna per un insieme di tali stelle usando l'asterosismologia. Questa è la prima volta che un'impresa del genere è stata raggiunta ed è stata possibile solo grazie a un nuovo campione di 26 stelle di tipo B a lenta pulsazione con oscillazioni stellari identificate da NASALa missione di Keplero.
Le stelle di tipo B che pulsano lentamente sono da tre a otto volte più massicce del Sole. Si espandono e si contraggono su scale temporali dell'ordine da 12 ore a 5 giorni e possono variare di luminosità fino al 5%. Le loro modalità di oscillazione sono particolarmente sensibili alle condizioni vicino al nucleo, ha spiegato Pedersen.
"La miscelazione interna all'interno delle stelle è stata ora misurata osservativamente e risulta essere diversa nel nostro campione, con alcune stelle che non hanno quasi nessuna miscelazione mentre altre rivelano livelli un milione di volte superiori", ha detto Pedersen. La diversità risulta essere estranea alla massa o all'età della stella. Piuttosto, è principalmente influenzato dalla rotazione interna, anche se questo non è l'unico fattore in gioco.
"Questi risultati asterosismici consentono finalmente agli astronomi di migliorare la teoria della miscelazione interna di stelle massicce, che finora è rimasta non calibrata dalle osservazioni provenienti direttamente dai loro interni profondi", ha aggiunto.
La precisione con cui gli astronomi possono misurare le oscillazioni stellari dipende direttamente da quanto tempo viene osservata una stella. Aumentando il tempo da una notte a un anno si ottiene un aumento di mille volte della precisione misurata delle frequenze di oscillazione.
"May e i suoi collaboratori hanno davvero mostrato il valore delle osservazioni asterosismiche come sonde degli interni profondi delle stelle in un modo nuovo e profondo", ha affermato Lars Bildsten, direttore del KITP, professore di fisica teorica di Gluck. "Sono entusiasta di vedere cosa troverà dopo."
I migliori dati attualmente disponibili per questo provengono dalla missione spaziale Kepler, che ha osservato la stessa porzione di cielo per quattro anni continui. Le stelle di tipo B a lenta pulsazione erano le stelle pulsanti di massa più alta osservate dal telescopio. Sebbene la maggior parte di questi siano leggermente troppo piccoli per diventare supernova, condividono la stessa struttura interna delle fabbriche chimiche stellari più massicce. Pedersen spera che le intuizioni raccolte dallo studio delle stelle di tipo B faranno luce sul funzionamento interno delle loro controparti di tipo O di massa maggiore.
Ha in programma di utilizzare i dati del Transiting Exoplanet Survey Satellite della NASA (TESS) per studiare gruppi di stelle oscillanti di massa elevata in associazioni OB. Questi gruppi comprendono da 10 a più di 100 stelle massicce tra 3 e 120 masse solari. Le stelle nelle associazioni OB nascono dalla stessa nuvola molecolare e condividono età simili, ha spiegato. L'ampio campione di stelle e il vincolo delle loro età comuni offrono nuove entusiasmanti opportunità per studiare le proprietà di mescolamento interno delle stelle di massa elevata.
Oltre a svelare i processi nascosti all'interno delle stelle, la ricerca sulle oscillazioni stellari può anche fornire informazioni su altre proprietà delle stelle.
"Le oscillazioni stellari non solo ci consentono di studiare la miscelazione interna e la rotazione delle stelle, ma determinano anche altre proprietà stellari come la massa e l'età", ha spiegato Pedersen. "Sebbene questi siano entrambi due dei parametri stellari più fondamentali, sono anche alcuni dei più difficili da misurare".
Riferimento: "Miscelazione interna di stelle rotanti inferite dai modi di gravità del dipolo" di May G. Pedersen, Conny Aerts, Péter I. Pápics, Mathias Michielsen, Sarah Gebruers, Tamara M. Rogers, Geert Molenberghs, Siemen Burssens, Stefano Garcia e Dominic M Bowman, 10 maggio 2021, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01351-x
