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WISE: svelato un mistero cosmico che durava da 16 anni

20 novembre 2020
La Nebulosa Anello, che ha lasciato perplessi gli scienziati per oltre un decennio, sembra essere il più giovane esempio conosciuto di due stelle fuse in una sola.

Nel 2004, gli scienziati con il Galaxy Evolution Explorer (GALEX) della NASA hanno individuato un oggetto diverso da qualsiasi altro fosse stato osservato nella Via Lattea: una grande e debole macchia di gas con una stella al centro. Nelle immagini di GALEX la macchia appariva blu - sebbene in realtà non emetta luce visibile all'occhio umano - e le successive osservazioni hanno rivelato una spessa struttura ad anello al suo interno. Quindi il team l'ha soprannominato Blue Ring Nebula (o Nebulosa Anello, nota anche come M 57 o NGC 6720). Nei successivi 16 anni è stata studiata con più telescopi terrestri e spaziali, ma più hanno imparato su di essa e più è sembrata misteriosa.
Un nuovo studio pubblicato il 18 novembre sulla rivista Nature potrebbe aver finalmente risolto il caso. Applicando modelli teorici all'avanguardia grazie alla serie di dati raccolti su questo oggetto, gli autori ipotizzano che la nebulosa - una nuvola di gas nello spazio - sia probabilmente composta da detriti di due stelle che si sono scontrate e si sono fuse in un'unica stella.

Anche se si ritiene che i sistemi stellari fusi siano abbastanza comuni, è quasi impossibile studiarli immediatamente dopo che si sono formati perché sono oscurati dai detriti provocati dalla collisione. Una volta che i detriti si sono dispersi, almeno alcune centinaia di migliaia di anni dopo, sono difficili da identificare perché assomigliano a stelle non fuse. La Nebulosa Anello Blu sembra essere l'anello mancante: gli astronomi stanno osservando il sistema stellare solo poche migliaia di anni dopo la fusione, quando le prove dell'unione sono ancora ben presenti. E sembra essere il primo esempio noto di un sistema stellare fuso in questa fase.

Operante tra il 2003 e il 2013 e gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, GALEX è stato progettato per aiutare a studiare la storia della formazione stellare nella maggior parte dell'universo effettuando un censimento delle giovani popolazioni di stelle in altre galassie. Per fare ciò, la missione ha osservato sia la luce UV vicina (lunghezze d'onda leggermente più corte della luce visibile) sia quella UV lontana. La maggior parte degli oggetti visti da GALEX irradiava sia UV vicino (rappresentato come giallo nelle immagini GALEX) sia UV lontano (rappresentato come blu), ma la Nebulosa Anello Blu si distingueva perché emetteva solo luce UV lontana.
La dimensione dell'oggetto era simile a quella di un residuo di supernova, che si forma quando una stella massiccia esaurisce il carburante ed esplode, o una nebulosa planetaria, i resti gonfi di una stella delle dimensioni del nostro Sole. Ma la Nebulosa Anello Blu aveva una stella vivente al centro. Inoltre, i resti di supernova e le nebulose planetarie si irradiano in più lunghezze d'onda della luce al di fuori della gamma UV, mentre ulteriori ricerche hanno dimostrato che la Nebulosa Anello Blu non lo ha fatto.



Il pianeta fantasma

Nel 2006, il team GALEX ha esaminato la nebulosa con il telescopio Hale presso l'Osservatorio Palomar nella contea di San Diego, in California, e poi con i telescopi ancora più potenti da 10 metri dell'Osservatorio WM Keck alle Hawaii. Questi hanno trovato prove di un'onda d'urto nella nebulosa suggerendo che il gas che componeva la Nebulosa Anello Blu era stato effettivamente espulso da una sorta di evento violento attorno alla stella centrale. I dati di Keck hanno anche suggerito che la stella stesse trascinando una grande quantità di materiale sulla sua superficie. Ma da dove veniva questo materiale?

"Per un bel po 'di tempo abbiamo pensato che forse un pianeta grosso diverse volte la massa di Giove venisse disintegrato dalla stella e fosse questo a espellere tutto quel gas fuori dal sistema", ha detto Mark Seibert, astrofisico della Carnegie Institution per Science e un membro del team GALEX di Caltech, che gestisce JPL.

Ma il team voleva più dati. Nel 2012, utilizzando il primo sondaggio a tutto cielo del Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA, un telescopio spaziale che ha studiato il cielo alla luce infrarossa, il team di GALEX ha identificato un disco di polvere in orbita strettamente attorno alla stella. (WISE è stato riattivato nel 2013 come missione NEOWISE per la caccia agli asteroidi.) Con i dati di archivio di altri tre osservatori a infrarossi, incluso il telescopio spaziale Spitzer della NASA, il team ha anche individuato il disco. La scoperta non ha escluso la possibilità che un pianeta stesse orbitando attorno alla stella, ma alla fine il team ha dimostrato che il disco e il materiale espulso nello spazio provenivano da qualcosa di più grande persino di un pianeta gigante. Poi, nel 2017, l'Habitable Zone Planet Finder sul telescopio Hobby-Eberly in Texas ha confermato che non c'era alcun oggetto compatto in orbita attorno alla stella.

Più di un decennio dopo aver scoperto la Nebulosa Anello Blu, il team aveva raccolto dati sul sistema da quattro telescopi spaziali, quattro telescopi terrestri, osservazioni storiche della stella risalenti al 1895 (al fine di cercare i cambiamenti nella sua luminosità durante gli anni) e da comuni cittadini appassionati di astronomia attraverso l'American Association of Variable Star Observers (AAVSO). Ma una spiegazione di ciò che aveva creato la nebulosa ancora sfuggiva.

Un'indagine stellare

Nel momento in cui Keri Hoadley ha iniziato a lavorare con il team scientifico GALEX nel 2017, "il gruppo aveva sbattuto contro un muro" con la Blue Ring Nebula, ha detto. Ma Hoadley, un'astrofisica al Caltech, era affascinata dall'oggetto e dalle sue caratteristiche bizzarre, quindi ha accettato la sfida di cercare di risolvere il mistero. Sembrava probabile che la soluzione non sarebbe arrivata da più osservazioni del sistema ma da teorie all'avanguardia che avrebbero potuto dare un senso ai dati esistenti. Così Chris Martin, investigatore principale per GALEX al Caltech, ha contattato Brian Metzger della Columbia University per chiedere aiuto.
In qualità di astrofisico teorico, Metzger crea modelli matematici e computazionali di fenomeni cosmici, che possono essere utilizzati per prevedere come questi fenomeni appariranno e si comporteranno. È specializzato in fusioni cosmiche: collisioni tra una varietà di oggetti, siano essi pianeti e stelle o due buchi neri. Con Metzger a bordo e Hoadley che guidava il lavoro, le cose sono progredite rapidamente.

"Non era solo il fatto che Brian potesse spiegare i dati che stavamo vedendo; stava essenzialmente prevedendo ciò che avevamo osservato prima di vederlo", ha detto Hoadley. "Diceva: 'Se questa è una fusione stellare, dovresti vedere X', ed è stato proprio così!
Il team ha concluso che la nebulosa era il prodotto di una fusione stellare relativamente recente che probabilmente si è verificata tra una stella simile al nostro Sole e un'altra stella solo circa un decimo di quella dimensione (o circa 100 volte la massa di Giove). Verso la fine della sua vita, la stella simile al Sole ha iniziato a gonfiarsi, avvicinandosi alla sua compagna. Alla fine, la stella più piccola è caduta in una spirale discendente verso la sua compagna più grande. Lungo la strada, la stella più grande ha fatto a pezzi la stella più piccola, avvolgendosi in un anello di detriti prima di inghiottire completamente la stella più piccola.

Questo è stato l'evento violento che ha portato alla formazione della Nebulosa Anello Blu. La fusione ha lanciato una nuvola di detriti caldi nello spazio che è stata tagliata in due dal disco di gas. Questo ha creato due nuvole di detriti a forma di cono, le cui basi si allontanano dalla stella in direzioni opposte e si allargano mentre si dirigono verso l'esterno. La base di un cono è puntata quasi direttamente verso la Terra e l'altra quasi nella direzione opposta. Sono troppo deboli per essere osservate individualmente, ma l'area in cui i coni si sovrappongono (come si vede dalla Terra) forma l'anello blu centrale osservato da GALEX.

Sono trascorsi millenni. La nube di detriti in espansione ha raffreddato e formato molecole e polvere, comprese le molecole di idrogeno che si sono scontrate con il mezzo interstellare, la raccolta sparsa di atomi e particelle energetiche che riempiono lo spazio tra le stelle. Le collisioni hanno eccitato le molecole di idrogeno, facendole irradiare in una specifica lunghezza d'onda della luce UV lontana. Nel corso del tempo, il bagliore è diventato abbastanza luminoso da essere visto da GALEX.
E le fusioni stellari possono verificarsi anche una volta ogni 10 anni nella nostra galassia della Via Lattea, il che significa che è possibile che una considerevole popolazione di stelle che vediamo nel cielo fossero una volta due.

"Vediamo un sacco di sistemi a due stelle che potrebbero fondersi un giorno, e pensiamo di aver identificato stelle che si sono fuse forse milioni di anni fa. Ma non abbiamo dati su ciò che accade nel mezzo", ha detto Metzger. "Pensiamo che probabilmente ci siano molti giovani resti di fusioni stellari nella nostra galassia, e la Nebulosa Anello Blu potrebbe mostrarci come sono in modo da poterne identificare altre".

Sebbene questa sia probabilmente la conclusione di un mistero durato 16 anni, potrebbe anche essere l'inizio di un nuovo capitolo nello studio delle fusioni stellari.

"È incredibile che GALEX sia stato in grado di trovare questo oggetto molto debole che non stavamo cercando, ma si è rivelato qualcosa di veramente interessante per gli astronomi", ha detto Seibert. "Ribadisce solo che quando guardi l'universo con una nuova lunghezza d'onda o in un modo nuovo, trovi cose che non avresti mai immaginato di trovare."

fonti: NASA Jet Propulsion Laboratory

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