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Misurare le stelle usando gli asteroidi

La dimensione angolare di una stella è un fattore critico nel determinare le sue proprietà di base. La misurazione diretta dei diametri angolari stellari è difficile: a distanze interstellari le stelle sono generalmente troppo piccole per essere risolte da qualsiasi singolo telescopio. Questa limitazione fondamentale può essere superata studiando il modello di diffrazione nella zona d’ombra quando un asteroide occulta una stella, ma solo quando l’incertezza fotometrica è inferiore al rumore aggiunto dalla scintillazione atmosferica.

I telescopi atmosferici Cherenkov utilizzati per le osservazioni astrofisiche delle particelle non sono stati generalmente sfruttati per l’astronomia ottica a causa della modesta qualità ottica della superficie dello specchio. Tuttavia, la loro ampia area speculare li rende adatti per misurazioni fotometriche di precisione ad alta risoluzione. Qui riportiamo due occultazioni di stelle osservate dal Very Array Radical Imaging Telescope Array System (VERITAS) Telescopi Cherenkov con campionamento al millisecondo, da cui siamo in grado di fornire una misura diretta del diametro angolare delle stelle occulte alla scala ≤ 0.1 mas.

Questa è una risoluzione mai raggiunta prima con le misure ottiche e rappresenta un miglioramento dell’ordine di magnitudine rispetto al metodo di occultazione lunare equivalente. Confrontiamo il raggio stellare risultante con stime empiricamente derivate da misure di temperatura e luminosità, confermando che quest’ultimo può essere distorto per stelle con classificazioni stellari ambigue. Lo studio è stato condotto da un gruppo di ricercatori guidati da Tarek Hassan del Desy e Michael Daniel dello Smithsonian Astrophysical Observatory (Sao) e pubblicato su Nature Astronomy.

Dimensione angolare della stella
Quando un asteroide passa davanti a una stella, il modello di diffrazione risultante (qui molto esagerato) può rivelare la dimensione angolare della stella.
Credito: DESY, Lucid Berlin

Quando un asteroide per effetto del suo moto proprio, unito con quello della Terra, intercetta la visuale compresa fra l’osservatore e una qualunque stella, si ha una cessazione apparente dell’emissione luminosa proveniente da quest’ultima. Il fenomeno è indicato con il nome di occultazione asteroidale. Stante però le piccole dimensioni dei pianetini il fenomeno sarà di breve durata, talvolta difficilmente apprezzabile a occhio nudo senza particolari strumenti (fotometri e videocamere). Chi osserva il fenomeno percepisce sempre un calo estremamente rapido della luminosità della stella in quanto i pianetini non hanno un’atmosfera gassosa come la nostra Terra: in molte circostanze la stella potrebbe manifestare un semplice e veloce calo di luminosità, non una totale cessazione di emissione, tale da renderla temporaneamente invisibile in alcuni telescopi.

In particolare nel caso Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (Veritas)  gli esperti hanno sfruttato il fenomeno della diffrazione per ottenere le dimensioni delle stelle. Anche i più potenti telescopi esistenti oggi falliscono quando devono osservare stelle molto lontane da noi. Per superare il limite della distanza, gli scienziati hanno pensato di usare la natura ondulatoria della luce e sfruttare l’effetto che si verifica quando un oggetto, come un asteroide, passa davanti a una stella. Avete presente le onde che si generano in un laghetto quando lanciate un sasso all’interno? Più o meno la stessa cosa, ma il sassolino è un grande asteroide e le distanze sono anni e anni luce.

L’effetto di diffrazione di una stella occultata da un asteroide è molto difficile da misurare, quindi «l’unica possibilità di catturare queste onde di diffrazione è di creare istantanee molto veloci quando l’ombra passa davanti al telescopio», ha spiegato Daniel. Questo metodo funziona fino a diametri angolari di circa un millesimo di secondo d’arco.

Per risolvere i diametri angolari molto piccoli, il team ha utilizzato i telescopi Cherenkov che, pur non producendo le migliori immagini ottiche,  grazie alla loro enorme superficie a specchio sono estremamente sensibili alle rapide variazioni di luce, tra cui la luce delle stelle. Con i quattro grandi telescopi Veritas in Arizona (Stati Uniti), i ricercatori hanno catturato le onde di diffrazione della stella TYC 5517-227-1 dopo il passaggio dell’asteroide di 60 chilometri Imprinetta il 22 febbraio 2018. I telescopi hanno scattato 300 fotografie al secondo. Da questi dati risulta in un diametro angolare o apparente di 0,125 milliarcosecondi. Insieme alla sua distanza di 2674 anni luce, il vero diametro della stella è undici volte quello del nostro Sole e quindi si classifica come gigante rossa.

L’esperimento è stato ripetuto il 22 maggio dello stesso anno quando l’asteroide di 88 chilometri Penelope ha occultato la stella TYC 278-748-1, le cui misure apparenti sono risultate di 0.094 milliarcsecondi con un diametro reale di 2.17 volte quello del Sole. Si tratta della stella con misura angolare più piccola mai misurata.

Hassan ha commentato:

«Il nostro studio stabilisce un nuovo metodo per determinare il vero diametro delle stelle. Dato che la stessa stella sembra più piccola più è lontana, passare a diametri angolari più piccoli significa anche estendere il raggio di osservazione. Stimiamo che il nostro metodo possa analizzare le stelle fino a dieci volte più lontano rispetto al metodo di occultazione lunare standard».

Fonti e approfondimenti

  1. Direct measurement of stellar angular diameters by the VERITAS Cherenkov telescopes“, di W. Benbow et al. su Nature Astronomy
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