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TESS: studio rivoluzionario sulle pulsazioni stellari

TESS – 13 maggio 2020: La maggior parte delle stelle pulsa perché onde come quelle sonore sono intrappolate al loro interno, incapaci di sfuggire nel vuoto dello spazio e far risuonare gli oggetti cosmici come strumenti musicali. Queste pulsazioni vengono studiate dai ricercatori per capire com’è fatto l’interno di queste stelle, nel campo noto come astrosismologia.

Delta Scuti
Delta Scuti

C’è una classe di stelle che ha sorpreso gli scienziati: le stelle Delta Scuti che si pensava stranamente pulsassero in modo del tutto casuale. Un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’Università di Birmingham nel Regno Unito e di Sydney, è stato in grado di ascoltare chiaramente la melodia segreta dietro queste pulsazioni. Il professor Bill Chaplin dell’Università di Birmingham ci ha spiegato:

“All’interno delle stelle queste pulsazioni fanno cambiare periodicamente la luminosità della stella, facendola diventare sempre più calda e scura. Le pulsazioni per l’astronomia rappresentano un parametro  molto importante, è l’unico strumento che ci consente di costruire un quadro dettagliato di come appare l’interno di una stella. Le misure dei periodi o frequenze delle armoniche della stella, ci forniscono indicazioni della sua struttura interna.”

Come analogia, il professor Harrison ci ha suggerito i toni prodotti da diversi strumenti e il modo in cui variano a seconda delle dimensioni e struttura dello strumento.

“Qualsiasi oggetto che risuona ci parla della sua struttura interna”, ha aggiunto.

Il lavoro impegnativo sulle stelle Delta Scuti è stato sulle pulsazioni apparentemente casuali, il che ha reso molto difficile capire quali risonanze stessimo osservando. Esistono due tipi principali di onde all’interno delle stelle, le onde sonore e le onde galleggianti.

Le onde sonore rappresentano una parte naturale della fissione nucleare che avviene nel loro nucleo, convertendo l’idrogeno in elio e cambiando la composizione della stella.

Le onde galleggianti vengono generate quando grandi bolle di gas si muovono attraverso la stella.

Man mano che le onde si muovono attraverso l’elio e l’idrogeno in diverse direzioni, anche le risonanze delle onde sonore e dell’elio cambiano e i periodi si sovrappongono. Questa sovrapposizione diventa un vero problema nelle stelle più vecchie come le Delta Scuti, perché le onde sonore diventano molto lunghe a differenza delle onde galleggianti che risulta molto difficile distinguerle.

Un gruppo di ricercatori ha trovato il sistema di distinguere queste onde. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.

Un sottoinsieme delle stelle di Delta Scuti hanno schemi molto ordinati. Queste stelle sono molto più giovani rispetto alle altre, anche se fanno parte dello stesso ammasso. I modelli hanno permesso agli scienziati di sottrarre il segnale dal rumore apparente dovuto alle altre stelle, decodificando efficacemente il segnale.

“Questo studio ci aiuterà a comprendere quanto siano comuni i sistemi simili al nostro, quanto sia comune il nostro sole – e quanto sia comune la vita là fuori”.

Pulsazioni di una stella Delta Scuti. In questo video, la stella cambia di luminosità quando le onde sonore interne a frequenze diverse causano l’espansione e la contrazione di parti della stella. In un primo modello, l’intera stella si espande e si contrae, mentre in un secondo, gli emisferi opposti si gonfiano e si restringono. In realtà, una singola stella mostra molti schemi di pulsazione che ci fornisce dati sulla sua età, composizione e struttura interna. Le corrette variazioni di luce osservate dagli astronomi dipendono anche dall’inclinazione dell’asse di rotazione della stella rispetto la nostra visuale. Le stelle Delta Scuti ruotano così rapidamente da appiattirsi come ovali, il che confonde questi segnali e li rende difficili da decodificare. Ora, grazie al Transiting Exoplanet Survey Satellite della NASA, gli astronomi li stanno decifrando. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

Lo studio di TESS sulle pulsazioni stellari

La struttura interna della Terra è stata compresa dai geologi che studiano le onde sismiche, dal modo in cui i riverberi cambiano velocità e direzione mentre si propagano. Applicano lo stesso principio gli astronomi  studiano l’interno delle stelle attraverso le loro pulsazioni, un campo chiamato asterosismologia.

Le onde sonore viaggiano attraverso l’interno di una stella con velocità che varia con la profondità e si combinano in schemi di pulsazione sulla superficie della stella. Gli astronomi sono in grado di rilevare questi schemi come minuscole fluttuazioni di luminosità per determinare l’età, la temperatura, la composizione, la struttura interna della stella e altre proprietà.

Tess Delta Scuti
Le onde sonore che rimbalzano all’interno di una stella ne causano l’espansione e la contrazione, con conseguenti cambiamenti di luminosità rilevabili. Questa animazione raffigura un tipo di pulsazione Delta Scuti – chiamata modalità radiale – che è guidata da onde (frecce blu) che viaggiano tra il nucleo della stella e la superficie. In realtà, una stella può pulsare in molti modi diversi, creando schemi complicati che consentono agli scienziati di conoscere il suo interno. Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA

Le stelle classificate come Delta Scuti hanno massa compresa tra 1,5 e 2,5 volte quella del Sole. Prendono il nome da Delta Scuti, una stella visibile ad occhio nudo nella costellazione australe dello Scutum  identificata per la prima volta come variabile nel 1900. Da allora, gli astronomi ne hanno identificato altre migliaia, molte delle quali con il telescopio spaziale Kepler della NASA.

Queste stelle generalmente ruotano una o due volte al giorno, almeno una dozzina di volte più velocemente del Sole. La rapida rotazione appiattisce le stelle ai loro poli e confonde le pulsazioni, rendendole più complicate e difficili da decifrare. Per questo motivo gli scienziati hanno avuto molti problemi a interpretare le pulsazioni di tali stelle.

Per determinare se esiste un ordine nelle pulsazioni apparentemente caotiche, gli astronomi dovettero osservare più volte un grande numero di stelle con grande rapidità di campionamento.

Ora TESS monitora ampie strisce di cielo ogni volta per 27 giorni, acquisendo un’immagine completa ogni 30 minuti con ciascuna delle sue quattro telecamere. Questa strategia di osservazione consente a TESS di tracciare i cambiamenti nella luminosità stellare causati dai pianeti che passano davanti alle loro stelle, che è la sua missione principale, ma le esposizioni di 30 minuti sono troppo lunghe per catturare i modelli delle stelle Delta Scuti le cui pulsazioni sono più rapide.

Questi cambiamenti possono avvenire in pochi minuti ma TESS cattura anche istantanee di migliaia di stelle preselezionate – tra cui alcune stelle Delta Scuti – ogni due minuti.

Quando gli astronomi hanno analizzato le misure, hanno trovato un sottoinsieme di stelle Delta Scuti con schemi di pulsazione regolari. Cercando nei dati di Keplero, che utilizzavano una strategia di osservazione simile e altre osservazioni di follow-up con telescopi terrestri, tra cui uno presso l’Osservatorio WM Keck alle Hawaii e due nella rete globale dell’Osservatorio di Las Cumbres, in totale hanno identificato 60 stelle Delta Scuti con chiare pulsazioni regolari.

“Avendo una serie regolare di pulsazioni per queste stelle che possiamo capire e confrontare con i modelli, ci consentirà di misurare queste stelle usando l’astrosismologia in modo molto dettagliato. Questo è un rivoluzionario modo per studiare e comprendere le Delta Scuti. ”, ha affermato il coautore Simon Murphy, ricercatore dell’Università di Sydney.

I dati hanno già contribuito a risolvere un dibattito sull’età di una stella, chiamato HD 31901. Gli scienziati hanno collocato l’età del flusso complessivo a 1 miliardo di anni , in base all’età di una gigante rossa che sospettavano appartenesse allo stesso gruppo. Una stima successiva, basata sui periodi di rotazione di altri membri del flusso stellare, suggeriva un’età di soli 120 milioni di anni circa . Il team di astronomi utilizzando le osservazioni TESS per creare un modello asterosismico di HD 31901, supporta il secondo caso.

Il team pensa che le 60 stelle abbia segnali più chiari perché si tratta di stelle più giovani delle altre Delta Scuti, producendo tutta la loro energia attraverso la fusione nucleare nei loro nuclei. Le pulsazioni si verificano più rapidamente nelle stelle giovani e mentre invecchiano, la frequenza delle pulsazioni rallenta e si confonde con altri segnali.

Un altro parametro favorevole potrebbe essere l’angolo di visione di TESS. I calcoli teorici prevedono che i modelli di pulsazione di una stella che gira dovrebbero essere più chiari quando il suo polo di rotazione è diretto verso di noi, invece del suo equatore.

Astrosismologia

L’astrosismologia studia la struttura interna delle stelle pulsanti attraverso l’interpretazione delle loro pulsazioni e del loro spettro. Modi di oscillazione differenti penetrano nelle parti più interne degli astri.

Differenti modi di oscillazione negli strati interni delle stelle
Differenti modi di oscillazione negli strati interni delle stelle

Si è scoperto che nell’interno degli astri esiste una propagazione di onde sonore osservabili in fotosfera, il cui studio è d’importanza fondamentale per comprendere la loro struttura, ed è basato sul fatto che la frequenza e l’ampiezza delle singole oscillazioni sono in correlazione con lo stato fisico dei vari strati che l’onda attraversa.

È necessario studiare l’effetto doppler che la stella, attraverso il segnale elettromagnetico, ci invia, il quale è dovuto alla contrazione ed espansione che periodicamente l’astro subisce; questo movimento è dovuto al ciclo termodinamico attraverso il quale l’energia meccanica si disperde in calore.

Durante la contrazione l’aumento della temperatura causa l’aumento della frequenza del segnale (Blu-Shift); durante l’espansione invece si crea una diminuzione della temperatura e quindi della frequenza (Red-Shift).

Si è iniziato con l’indagine della stella a noi più vicina, il Sole (eliosismologia), e si è cercato di capire il funzionamento fisico e meccanico di come il tutto si svolgesse, tra l’altro si è scoperto che il nocciolo, in cui avvengono le reazioni nucleari, è più freddo di quanto ci si aspettasse e la temperatura alla base della zona convettiva è molto più alta.

Quindi si è passati all’applicazione di queste tecniche alle altre stelle ed è nata così l’astrosismologia, che cerca di capire e rivelare tutte quelle oscillazioni che avvengono anche nelle stelle lontane (stellamoti o starquakes); naturalmente in questo caso si possono osservare i moti di oscillazione più grandi, infatti questa tecnica viene applicata specialmente alle stelle variabili, (pulsanti), per le quali le oscillazioni risultano essere molto evidenti.

Lo studio di queste stelle è stato realizzato attraverso la coordinazione di vari telescopi che le monitorano 24 ore su 24, cercando di cogliere le più piccole variazioni di luminosità; tra i più noti centri di coordinamento c’è la Whole Earth Telescope; successivamente lo studio è continuato utilizzando varie strumentazioni poste nello spazio a bordo di satelliti artificiali; tra gli ultimi il satellite COROT addetto alla ricerca di pianeti extrasolari e grazie agli stellamoti studierà la Convezione e la rotazione stellare e transito dei pianeti.

Utilizzando la tecnica dell’astrosismologia, è stato effettuato uno studio pubblicato a marzo 2017 che mette in relaziona l’asse di rotazione stellare con l’ambiente circostante.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. NASA’s TESS Enables Breakthrough Study of Perplexing Stellar Pulsations – May 13, 2020. Jeanette Kazmierczak​, NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
  2. Nature  “Very regular high-frequency pulsation modes in young intermediate-mass stars”, di Timothy R. Bedding, Simon J. Murphy.
  3. Le possibilità dell’asterosismologia, su irfu.cea.fr.
  4. Imprinting sullo spin, su media.inaf.it.
  5. Studio : Allineamento dell’asse di rotazione stellare, su nature.com.
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