Amici della Scienza

Variabili cataclismiche: un modello unificato

Variabili cataclismica: si tratta di una stella variabile del tipo U Gem viene spesso chiamata anche nova nana.
Una variabile cataclismica è un sistema binario, in cui una componente è una nana bianca e l’altra è una subgigante di tipo spettrale K o M (più fredda del Sole e più grande come diametro).

Le due stelle sono talmente vicine che le forze di marea della nana bianca strappano del gas dalla stella più grande; questo materiale cade a spirale sulla nana bianca formando un disco di accrescimento. In genere, le due stelle orbitano l’una attorno all’altra con un periodo che va da una a dodici ore.

Per la maggior parte del tempo, queste stelle mostrano piccole, e talvolta rapide, variazioni di luce. Di tanto in tanto, tuttavia, la brillanza del sistema cresce rapidamente di alcune magnitudini e poi, su un periodo di giorni o mesi, torna alla normalità.

Quanto spesso questo avviene, varia da stella a stella, ma per le stelle del tipo U Gem c’è qualcosa che somiglia a un periodo, cioè la stella si illumina ad intervalli semiregolari. Maggiore è l’intervallo e maggiore è l’incremento di brillanza. Queste stelle sono spesso anche binarie ad eclisse.

variabili cataclismiche
Le variabili cataclismiche (chiamate anche stelle U Geminorum, a partire dal nome della stella prototipo) sono una classe di stelle variabili intrinseche, consistenti di una stella binaria in cui una componente è una nana bianca, mentre l’altra è una stella normale che cede gas alla compagna. Il nome cataclismica deriva dal fatto che la variabilità dipende dal comportamento turbolento del gas nel sistema stellare, con rapidi cambiamenti, esplosioni termonucleari e altri comportamenti estremi. La compagna della nana bianca è normalmente una nana rossa, anche se in alcuni casi si tratta di un’altra nana bianca o di una stella moderatamente evoluta (subgigante). Si conoscono ad oggi diverse centinaia di variabili cataclismiche.

Cause della variabilità

Le due stelle sono così vicine che la gravità della nana bianca distorce l’altra stella, che perde gas a favore della compagna. La materia che cade sulla nana bianca si dispone generalmente su un disco di accrescimento attorno alla stella. La materia riscaldata del disco spesso genera radiazioni energetiche (ultravioletti e raggi X). Il disco stesso è a volte instabile e una sua piccola parte può cadere di colpo sulla nana bianca, producendo una nova nana.

variabili cataclismiche
Schema di una variabile DQ Herculis, o polare intermedia: la materia confluisce verso la nana bianca, ma il flusso viene bruscamente spezzato dal forte campo magnetico prodotto dalla nana bianca.

Durante la fase di accrescimento, la materia continua ad accumularsi sulla superficie della nana bianca. Si tratta principalmente di idrogeno, di cui la stella donatrice è ricca. Dopo un certo tempo la temperatura e la densità dello strato di idrogeno raggiungono livelli tali da innescare reazioni di fusione nucleare, producendo un’esplosione che avvolge la nana bianca.

La luminosità del sistema aumenta improvvisamente per qualche ora o per qualche giorno, mentre la materia viene espulsa nello spazio interstellare. Tale fenomeno è detto nova (latino per nuova), un termine coniato dagli astronomi dei secoli scorsi per designare stelle in precedenza sconosciute che si mettevano improvvisamente a brillare, ed è stato mantenuto per coerenza storica.

Una volta finita la fase di nova, l’accrescimento può ricominciare come prima, finché non si ristabiliscono le condizioni per un’altra esplosione. Le novae possono essere quindi ricorrenti, ad intervalli di qualche decennio o secolo.

Se la materia accresciuta non è espulsa regolarmente, essa può far aumentare la massa della nana bianca fino al limite di Chandrasekhar, oltre il quale essa non è più in grado di sostenere il proprio peso. Ciò innesca una supernova di tipo Ia, una gigantesca esplosione in cui la nana bianca viene distrutta.

Un nuovo modello unificato

Le variabili cataclismiche sono divise in vari sottogruppi, chiamati col nome di una brillante stella rappresentativa: SS Cygni, U Geminorum, Z Camelopardalis, SU Ursae Majoris, AM Herculis, DQ Herculis, VY Sculptoris e SW Sextantis.

In alcuni casi il campo magnetico della nana bianca disturba il disco di accrescimento, o addirittura ne impedisce la formazione. Tali sistemi spesso mostrano una forte e variabile polarizzazione della loro luce, e sono quindi chiamati polar intermedie (in caso di un disco disturbato) o polar (nel caso il disco non possa formarsi). Le due stelle prototipo per queste classi di variabile cataclismica sono rispettivamente DQ Herculis e AM Herculis.

Un nuovo studio basato su massicce simulazioni al computer supporta le previsioni di 35 anni fa sulle binarie cataclismiche, proponendo una teoria unificata per queste stelle e mostrando che le nove osservabili sono solo la punta dell’iceberg. Tutti i dettagli su Nature Astronomy

Quasi 35 anni fa, gli scienziati hanno fatto una proposta allora giudicata piuttosto radicale, ossia che le colossali bombe a idrogeno chiamate nove, dopo l’esplosione, attraversassero un ciclo di vita molto lungo, svanendo nell’oscurità per centinaia di migliaia di anni, per poi riprendersi e diventare nuovamente nove a pieno titolo.

Adesso è uscito un nuovo studio – il primo in grado di modellare completamente il ciclo di vita di questi sistemi binari, incorporando tutti i fattori che entrano in gioco – che convalida la previsione originale e porta alla luce nuovi dettagli. Pubblicato questa settimana sulla rivista Nature Astronomy, lo studio conferma che le nove che osserviamo brillare in tutto l’universo rappresentano solo un qualche percento di queste variabili cataclismiche – perché è questo il loro nome – e che molte altre siano in letargo, ben nascoste.

I sistemi binari cataclismici si verificano quando una stella normale, come ad esempio il Sole (ma più facilmente una nana rossa), viene cannibalizzata da una nana bianca, una stella quasi al termine del suo percorso evolutivo. Dopo un certo tempo, la materia che cade sulla nana bianca – principalmente idrogeno, di cui la compagna è ricca – raggiunge una temperatura e una densità tali da innescare reazioni di fusione nucleare, producendo un’esplosione che avvolge la nana bianca, che prende il nome di nova.

Quello che succede è che la luminosità del sistema aumenta improvvisamente, diventando fino a un milione di volte più luminosa del Sole, per un periodo di tempo che può durare da pochi giorni a qualche mese, mentre la materia viene espulsa nello spazio interstellare. Terminata questa fase esplosiva, l’accrescimento a scapito della compagna riprende come prima, finché non si ristabiliscono le condizioni per un’altra esplosione.

Le nove possono quindi essere ricorrenti, a intervalli di qualche decennio o secolo. Potrebbe anche accadere che la massa della nana bianca aumenti fino al limite di Chandrasekhar, oltre il quale la stella collassa su se stessa, innescando una supernova di tipo Ia, una gigantesca esplosione nella quale la nana bianca viene distrutta… ma questa è tutt’altra storia.

«Abbiamo quantificato quanto era stato ipotizzato decenni fa, ossia che la maggior parte di questi sistemi sono in letargo profondo, in attesa di svegliarsi, e non li abbiamo ancora identificati», dice Michael Shara, curatore del Dipartimento di astrofisica dell’American Museum of Natural History, primo autore dello studio originale nonché coautore del nuovo lavoro.

«Le nove che osserviamo sono solo la punta dell’iceberg. Abbiamo sbagliato a pensare che le binarie nova-like e le nova nane, che portano alle nova, rappresentassero tutto ciò che esiste. I sistemi che creano le nova sono molto più comuni di quanto pensassimo».

Shara aveva proposto che, dopo un’esplosione, una nova diventasse una nova-like, poi una nova nana, e quindi, dopo un letargo trascorso come binaria distaccata (un sistema di due stelle piuttosto distanti), ritornasse a essere una nova nana, poi nova-like e poi di nuovo una nova… ripetendo questo ciclo più volte, fino a 100mila, per miliardi di anni. «Nello stesso modo in cui un uovo, un bruco, una crisalide e una farfalla sono fasi del ciclo di vita dello stesso organismo, questi sistemi binari non sono altro che gli stessi oggetti osservati in diverse fasi della loro vita», spiega Shara.

Con il nuovo studio, Shara e i suoi colleghi dell’Università Ariel e dell’Università di Tel Aviv, in Israele, hanno realizzato una serie di simulazioni per seguire migliaia di esplosioni di nove e i loro effetti sulle compagne nane rosse. L’obiettivo era quello di dimostrare, quantitativamente, che l’evoluzione dei sistemi binari cataclismici è ciclica e guidata dall’interazione tra le due stelle. «Trenta anni fa – ma nemmeno venti, o dieci – non c’era la potenza di calcolo per farlo», osserva Shara.

Così facendo, hanno scoperto che le binarie cataclismiche non passano semplicemente attraverso ciascuno dei quattro stati – nova, nova-like, nova-nana e binaria distaccata – per tutta la vita. I sistemi binari appena nati, durante la prima parte della vita (che occupa pochi percento del suo totale) si alternano solo tra i due stati nova e nova-like. Poi, nel successivo 10 per cento della loro vita, le binarie si alternano attraverso tre stati: nova, nova-like e nova-nana. Per il restante quasi 90 per cento della loro vita, attraversano ciclicamente tutti e quattro gli stati.

Lo studio ha inoltre dimostrato che quasi tutte le nove che osserviamo oggi si sono verificate all’inizio della vita del sistema binario, piuttosto che alla fine, ad un ritmo di circa una ogni 10mila anni, anziché una ogni pochi milioni di anni. «Statisticamente, ciò significa che i sistemi che osserviamo – quelli che spuntano continuamente – sono quelli neonati», ha detto Shara.

«E questo è solo circa il 5 per cento delle binarie totali presenti là fuori. La stragrande maggioranza è nello stato distaccato, e li abbiamo ignorati perché sono deboli e piuttosto comuni. Ma sappiamo che sono lì. Ora dobbiamo solo impegnarci per riuscire a trovarli e collegarli alle nove».

GAIA14aae La stella cannibale

Un sistema stellare binario molto particolare, classificato come Variabile Cataclismica: quello che succede è che una nana bianca super densa ruba il gas all’altra stella compagna del sistema, in pratica divorandola!. Le stelle sono costituite da grandi quantità di elio senza idrogeno: un fatto molto insolito, dato che l’idrogeno è l’elemento più comune dell’Universo.

Questa mancanza di idrogeno ha consentito di classificare Gaia14aae come un tipo di sistema rarissimo chiamato AM Canum Venaticorum che appartiene alla classe delle Variabili Cataclismiche e in cui entrambe le stelle hanno perso tutto l’idrogeno. La nana bianca del sistema, che ha le dimensioni del nostro pianeta, è talmente densa che un cucchiaino della materia che la compone pesa oltre i 5000 kg, la stella divora periodicamente la sua compagna più grande, circa ogni 50 minuti. Quest’ultima è 125 volte più grande del nostro Sole .

Gaia14aae si trova a circa 730 anni luce dalla terra, nella costellazione del Dragone. Il sistema è stato scoperto dal satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea nel 2014 e potrebbe essere un indispensabile strumento per comprendere molte cose a proposito dell’Universo: infatti le variabili cataclismatiche vengono utilizzate per misurarne l’espansione.

La nana bianca superdensa è così forte da forzare la stella compagna a gonfiarsi assumendo la forma di mongolfiera e a muoversi. ”Questo tipo di sistemi binari può esplodere come una supernova – e quindi studiare Gaia14aae ci aiuterà anche a capire queste strabilianti esplosioni nell’Universo”, la cui causa rimane uno dei più grandi misteri dell’astrofisica.

Gaia14aae si trova a circa 730 anni luce di distanza da noi nella costellazione del Dragone. È stato osservato per la prima volta dal satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea nel mese di agosto del 2014: in quell’occasione aveva improvvisamente incrementato la propria luminosità di circa cinque volte nel corso di una sola giornata.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. The Catalog and Atlas of Cataclysmic Variables, su archive.stsci.edu.
  2. TPP/CVcat – a catalogue of Cataclysmic Variable Stars, su cvcat.net.
  3. RKcat (Ritter and Kolb), 7th edition, su mpa-garching.mpg.de.
  4. Nature Astronomy l’articolo “A unified theory of cataclysmic variable evolution from feedback-dominated numerical simulations” di Yael Hillman, Michael M. Shara, Dina Prialnik e Attay Kovetz
  5. Amici della Scienza
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notificami
guest
0 Commenti
Inline Feedbacks
View all comments
Translate »
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x