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Luhman 16A: bande nuvolose su una nana bruna a 6,5 anni luce

Grazie a osservazioni con il Very Large Telescope a sosfisticati modelli predittivi, un team di astronomi ha scoperto che l’atmosfera di Luhman 16A, la nana bruna più vicina a noi conosciuta, mostra bande orizzontali simili a Giove e Saturno. I dettagli su The Astrophysical Journal

Il sistema Luhman 16AB si trova a soli 6,5 anni luce di distanza dal Sole ed è caratterizzata da fenomeni atmosferici con addensamenti nuvolosi e probabili piogge di ammoniaca e silicati: è Luhman 16A, una nana bruna che ha suscitato l’interesse degli studiosi per la presenza di fasce di nubi che sembrano ricordare quelle che solcano il volto di Giove.

La scoperta, effettuata con il telescopio Vlt dell’Eso, ha visto l’utilizzo – per la prima volta, in questo tipo di indagine – della polarimetria, una tecnica che si basa sulla misurazione del grado di polarizzazione di radiazioni elettromagnetiche (soprattutto della luce).

sistema binario Luhman 16AB
Illustrazione artistica del sistema binario Luhman 16AB. In primo piano Luhman 16A, la nana bruna nella quale Maxwell A. Millar-Blanchaer et al. hanno individuato le bande orizzontali nell’atmosfera. Nello sfondo Luhman 16B, la stella compagna. Crediti: Caltech/R. Hurt (Ipac)

La sperimentazione è stata condotta da un gruppo internazionale di studiosi, tra cui anche rappresentanti della Nasa, coordinato dal Dipartimento di Astronomia dell’Istituto Caltech. I risultati sono stati illustrati nell’articolo “Detection of Polarization due to Cloud Bands in the Nearby Luhman 16 Brown Dwarf Binary”, in pubblicazione su The Astrophysical Journal e disponibile in anteprima sul sito del Caltech.

La coppia nana marrone binaria Luhman 16
La coppia nana marrone binaria Luhman 16, chiamata anche WISE J104915.57-531906. Credito di immagine: dalla NASA / JPL / Gemini Observatory / AURA / NSF

Le nane brune sono oggetti celesti che si formano dal collasso di nubi di gas, in maniera simile a quanto avviene per le stelle, ma a differenza di esse non hanno una massa sufficientemente grande per dare il via alle reazioni nucleari tipiche degli astri. Luhman 16A, che deve il nome al suo scopritore (l’astrofisico americano Kevin Luhman) e ha una massa pari a circa 30 volte quella di Giove, fa parte di un sistema binario in cui anche l’altro componente è una nana bruna, di simili dimensioni; il sistema è stato scoperto dalla missione Wise della Nasa nel 2013.

Luhman 16A: bande nuvolose su una nana bruna a 6,5 anni luce 1
Immagini schematiche dallo studio. Presentano diversi scenari sia per l’angolo di polarizzazione lineare che per il grado di polarizzazione. La loro modellazione suggerisce (cornice verde) che Luhman 16A ha due bande di nuvole. Credito: Miller-Blanchaer et al, 2020.

La condizione ‘meteo’ di Luhman 16A non è così rara: è stata infatti riscontrata evidenza di bande nuvolose su altre nane brune, osservate anche dal telescopio Spitzer della Nasa. Precedenti studi su Luhman 16A, inoltre, avevano teorizzato la presenza di nubi, ma le misurazioni effettuate avevano solo tenuto conto delle variazioni di brillantezza nel corso del tempo senza considerare la luce polarizzata.

Gli autori del saggio, per avere evidenza della coltre nuvolosa, hanno impiegato in particolare lo strumento NaCo del Vlt e successivamente hanno realizzato dei modelli informatici; in base ad essi, hanno desunto che le bande nuvolose dovrebbero essere due, caratterizzate da un ‘meteo’ burrascoso, simile a quanto riscontrato per le nubi di Giove.

Gli studiosi ritengono che la polarimetria, grazie a nuove procedure e metodologie di analisi dei dati, sia diventata più che mai precisa e sensibile e che possa costituire un valido strumento per analizzare varie tipologie di oggetto celeste.

Caltech Gli astronomi usano gli “la polarimetria” per trovare bande di nuvole su un nano bruno.
Gli astronomi hanno rilevato quelle che sembrano essere bande di nuvole che si propagano sulla superficie di un freddo corpo simile a una stella noto come una nana bruna. Le fasce, simili a quelle che strisciano la superficie di Giove, sono state scoperte usando la polarimetria, una tecnica che funziona allo stesso modo in cui gli occhiali da sole polarizzati bloccano il bagliore della luce solare.

Luhman 16A e B: precedenti studi sulla sua atmosfera

Uno studio di Gillon et al. (2013) hanno scoperto che Luhman 16B ha mostrato un’illuminazione irregolare della superficie durante la sua rotazione.  Il 5 maggio 2013, Crossfield et al. (2014) hanno utilizzato la Southern Observatory ‘s Very Large Telescope (VLT) per osservare direttamente il sistema Luhman 16 per cinque ore, l’equivalente di una rotazione completa di Luhman 16B.

La loro ricerca ha confermato Gillon et al. ‘Sosservazione, trovando una grande regione scura alle medie latitudini, una zona luminosa vicino al suo polo superiore e un’illuminazione chiazzata altrove. Suggeriscono che questa variante di illuminazione indica “nuvole globali a chiazze”, in cui le aree più scure rappresentano nuvole spesse e le aree più luminose sono buchi nello strato di nuvole che consentono la luce dall’interno.

Gillon et al. determinato che i modelli di illuminazione di Luhman 16B cambiano rapidamente, su base giornaliera. Sebbene Luhman 16A sia stato osservato allo stesso modo del 16B, non è stata trovata alcuna variazione simile nell’illuminazione.

Mappa di superficie di Luhman 16B ricreata dalle osservazioni VLT

Polarizzazione della luce

La polarizzazione è una proprietà che si applica alle onde trasversali che specifica l’orientamento geometrico delle oscillazioni. In un’onda trasversale, la direzione dell’oscillazione è perpendicolare alla direzione del moto dell’onda. Le onde trasversali che presentano polarizzazione includono le onde elettromagnetiche come onde luminose e radio, onde gravitazionali e onde sonore trasversali (onde di taglio) nei solidi.

Un’onda elettromagnetica come la luce è costituita da un campo elettrico oscillante accoppiato ad un campo magnetico, sempre perpendicolari fra loro; per convenzione, la “polarizzazione” delle onde elettromagnetiche si riferisce alla direzione del campo elettrico. Nella polarizzazione lineare, i campi oscillano in una sola direzione.

Nella polarizzazione circolare o ellittica, i campi ruotano a velocità costante su un piano mentre l’onda si propaga. La rotazione può avere due direzioni possibili; se i campi ruotano nel senso della mano destra rispetto alla direzione della corsa d’onda, si chiama polarizzazione circolare destra, mentre se i campi ruotano nel senso della mano sinistra, si chiama polarizzazione circolare sinistra. L’immagine seguente mostra un’onda con polarizzazione lineare.

polarizzazione

Luhman 16A: bande nuvolose su una nana bruna a 6,5 anni luce 2L’immagine sotto mostra un’onda con polarizzazione circolare : il vettore del campo elettrico può essere pensato come la somma vettoriale di due vettori , orientati lungo i due assi perpendicolari, che oscillano con fasi diverse.

polarizzazione

Luhman 16A: bande nuvolose su una nana bruna a 6,5 anni luce 3Un polarizzatore è un filtro ottico che lascia passare le onde luminose con una polarizzazione specifica bloccando le onde luminose aventi altre polarizzazioni. Un polarizzatore trasmette solo la luce che sta vibrando in un piano particolare.

Questo piano costituisce l “asse” della polarizzazione. La luce non polarizzata vibra su tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Se la luce non polarizzata è incidente su un polarizzatore “ideale”, solo la metà dell’intensità della luce verrà trasmessa attraverso il polarizzatore

La luce trasmessa è polarizzata su un piano. Se questa luce polarizzata è incidente su un secondo polarizzatore, il cui asse è orientato in modo tale da essere perpendicolare al piano di polarizzazione della luce incidente, nessuna luce verrà trasmessa attraverso il secondo polarizzatore.

Tuttavia, se il secondo polarizzatore è orientato secondo un angolo non perpendicolare all’asse del primo polarizzatore, ci sarà una componente del campo elettrico della luce polarizzata che si trova nella stessa direzione dell’asse del secondo polarizzatore, e quindi parte della luce verrà trasmessa attraverso il secondo polarizzatore. Questo viene mostrato nella seguente immagine.

polarizzazione

Se chiamiamo E1 il campo elettrico polarizzato dopo il passaggio attraverso il primo polarizzatore, ed E2 , dopo il passaggio attraverso il secondo polarizzatore, posto ad un angolo φ rispetto al primo polarizzatore allora risulta che E2 vale E1cosφ (proiezione su direzione inclinata di un angoloφ).

Poiché l’intensità della luce varia come il quadrato del campo elettrico, l’intensità della luce trasmessa attraverso il secondo filtro è data da (legge Malus) :

I2 = I1 cos2φ

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. The Astrophisical Journal – Detection of Polarization due to Cloud Bands in the Nearby Luhman 16 Brown Dwarf Binary, Published 2020 May 5 
  2. Richard FeynmanLa fisica di Feynman, Bologna, Zanichelli, 2001. Vol I, cap.33: Polarizzazione
  3. Berry, M. V. et al. “Polarizzazione del cielo“, New Jour. of Phys. Novembre 2004
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Luhman 16A: bande nuvolose su una nana bruna a 6,5 anni luce
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Grazie a osservazioni con il Very Large Telescope a sosfisticati modelli predittivi, un team di astronomi ha scoperto che l’atmosfera di Luhman 16A, la nana bruna più vicina a noi conosciuta, mostra bande orizzontali simili a Giove e Saturno. I dettagli su The Astrophysical Journal
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