Comprendere gli oscuri meandri dove nascono le stelle massicce


The Snake è una nuvola a forma di serpente, estremamente filamentosa. In questa immagine a infrarossi del telescopio spaziale Spitzer, i punti blu sono stelle relativamente libere dalla polvere, mentre i punti rossi sono involucri contenenti stelle in formazione.

Le stelle di grande massa, che sono otto o più volte la massa del nostro Sole, vivono una vita spericolata e muoiono giovani. Spesso terminano la loro breve vita in violente esplosioni chiamate supernove, ma le loro nascite sono molto più che un mistero. Si formano in nubi di gas e polveri molto dense e fredde, ma di queste regioni si sa ancora ben poco.

Nel 2021, poco dopo il lancio del James Webb Space Telescope della NASA, gli scienziati prevedono di studiare tre di queste nubi per comprenderne la struttura.

“Quello che stiamo cercando di fare è guardare i luoghi di nascita delle stelle massicce”, ha spiegato Erick Young, ricercatore principale di un programma che utilizzerà Webb per studiare questo fenomeno. È un astronomo della Universities Space Research Association in Columbia, Maryland. “Determinare l’effettiva struttura delle nubi è molto importante per cercare di capire il processo di formazione delle stelle”, ha detto.

Queste nubi fredde – che possono avere fino a 100.000 volte la massa del Sole – sono così dense che appaiono come grandi macchie scure nel cielo. Mentre sembrano prive di stelle, le nubi in realtà stanno solo oscurando la luce delle stelle di sfondo. Queste macchie scure sono così spesse e dense di polvere da bloccare persino alcune lunghezze d’onda della luce infrarossa, un tipo di luce che è invisibile agli occhi umani e che di solito può penetrare attraverso le nuvole polverose. Ecco perché sono chiamate “nubi scure a infrarossi“. Tuttavia, la sensibilità senza precedenti di Webb permette di osservare le stelle di fondo anche attraverso queste regioni molto dense.

Per capire come si formano le stelle massicce, bisogna capire l’ambiente in cui si formano. Ma una delle cose che rende così difficile lo studio della formazione di stelle massicce è che, non appena una stella si accende, irradia un’intensa luce ultravioletta e venti forti e potenti.

“Queste forze distruggono l’ambiente di nascita in cui la stella è stata creata”, ha spiegato l’esperta di nubi oscure a infrarossi Cara Battersby, assistente professore di fisica all’Università del Connecticut. “L’ambiente che si osserva dopo la sua formazione è totalmente diverso da quello che ha favorito la sua formazione”. E poiché sappiamo che le nubi a infrarossi sono luoghi in cui possono formarsi stelle massicce, se osserviamo la loro struttura prima che le stelle si siano formate o abbiano appena iniziato a formarsi, possiamo studiare quale ambiente è necessario per formare quelle stelle massicce”.

Battersby paragona il processo alla cottura dei biscotti: Non appena li cuoci, sono totalmente diversi dall’impasto stesso. Se non avete mai visto l’impasto prima d’ora, potreste non avere una buona idea di come sarebbe il processo di cottura. Le nuvole a infrarossi sono come la pasta cruda prima della cottura. Studiare queste nuvole è come avere la possibilità di guardare l’impasto dei biscotti, vedere cosa c’è dentro e imparare qual è la sua consistenza.

La comprensione delle stelle massicce e dei loro ambienti è importante per una serie di ragioni. In primo luogo, nelle loro morti esplosive, rilasciano molti elementi essenziali per la vita. Elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio – compresi i mattoni della vita sulla Terra – provengono dall’interno delle stelle massicce. Le stelle massicce hanno trasformato un universo quasi completamente composto da idrogeno in un ambiente ricco e complesso, in grado di produrre pianeti e persone.

Le stelle massicce producono anche enormi quantità di energia. Appena nate, emanano luce, radiazioni e venti che possono creare bolle nel mezzo interstellare, eventualmente provocando la formazione di stelle in diversi altri luoghi. Queste bolle in espansione potrebbero anche rompere una regione in cui si stanno formando nuove stelle. Infine, quando una stella massiccia muore in una spettacolare esplosione, cambia per sempre l’ambiente circostante.

Più di 100.000 volte la massa del Sole, la nube oscura chiamata “the Brick” non sembra formare alcuna stella massiccia. Ma in base alla sua immensa massa in un’area così piccola, se formasse delle stelle – come gli scienziati pensano che dovrebbe fare – sarebbe uno degli ammassi stellari più massicci della Via Lattea.

Lo studio si concentrerà su tre aree.

The Brick: Una delle più tenebrose nubi oscure a infrarossi della nostra galassia, questa nube approssimativamente a forma di mattoni risiede vicino al centro della galassia, a circa 26.000 anni luce dalla Terra. Più di 100.000 volte la massa del Sole, Questa nube non sembra formare ancora nessuna stella massiccia. Ma ha così tanta massa in un’area così piccola che se formasse delle stelle, come gli scienziati pensano che dovrebbe, sarebbe uno degli ammassi stellari più massicci della nostra galassia, proprio come gli ammassi di Arches e Quintuplet, sempre nelle vicinanze del centro della galassia.

The Snake: Con un nome ispirato alla sua forma serpentina, questa nube estremamente filamentosa si trova a circa 12.000 anni luce di distanza con una massa totale di 100.000 Soli. Sparse lungo il serpente si trovano calde e dense nubi di polvere, ognuna delle quali contiene circa 1.000 volte la massa del Sole in gas e polvere. Queste nubi sono riscaldate da giovani stelle massicce che si formano al loro interno. Il Serpente può essere una sezione di un filamento molto più lungo che è l’ “ossatura della Via Lattea”, che traccia la struttura a spirale della galassia.

IRDC 18223: Situata a circa 11.000 anni luce di distanza, questa nube mostra una formazione stellare attiva e massiccia che avviene in un lato di essa, mentre l’altro lato sembra completamente silenzioso e imperturbato. Una bolla sul lato attivo sta già iniziando a distruggere il filamento iniziale che c’era prima. Mentre il lato quiescente non ha ancora iniziato a formare stelle, ma probabilmente lo farà presto.

Per studiare queste nubi, Young e il suo team utilizzeranno come sonde le stelle di fondo.

“Più stelle hai, più linee di vista diverse avrai”, ha detto Young. “Ognuna di esse è come un piccolo raggio di matita, e misurando il colore della stella, si può valutare quanta polvere c’è in quella particolare linea di vista”.

Gli scienziati realizzeranno delle mappe – in sostanza, immagini molto profonde – in quattro diverse lunghezze d’onda infrarosse.

Ogni lunghezza d’onda ha una diversa capacità di penetrare la nube.

“Se si guarda una data stella e si vede che in realtà è molto più rossa di quanto ci si aspetti, allora si può supporre che la sua luce abbia effettivamente attraversato della polvere, e la polvere ha reso il colore più rosso della tipica stella non oscurata”, ha detto Young.

Osservando la differenza di colore in base a queste quattro diverse misurazioni nel vicino infrarosso, e confrontandola con un modello di polvere che si attenua e si arrossa, Young e il suo team possono misurare la polvere in quella particolare linea di vista. Webb permetterà loro di farlo per migliaia e migliaia di stelle che penetrano in ogni nube, dando loro una ricchezza di punti di dati. Poiché la maggior parte delle stelle di un dato tipo sono simili tra loro per luminosità e colore, le differenze marcate che Webb potrà osservare sono dovute principalmente agli effetti del materiale tra noi e le stelle.

Questo lavoro può essere fatto solo grazie alla squisita sensibilità del nuovo telescopio Webb e all’eccellente risoluzione angolare. La sensibilità di Webb permetterà agli scienziati di vedere le stelle più deboli e una maggiore densità di stelle di sfondo. La sua risoluzione angolare, la capacità di distinguere i piccoli dettagli di un oggetto, permetterà agli astronomi di discriminare tra le singole stelle.

Questa scienza è condotta nell’ambito di un programma di osservazione a tempo garantito (GTO) di Webb. Questo programma è stato progettato per premiare gli scienziati che hanno contribuito a sviluppare i componenti hardware e software chiave o le conoscenze tecniche e interdisciplinari per l’osservatorio. Young faceva parte del team di strumenti originali che ha costruito lo strumento NIRCam (Near Infrared Camera) di Webb.

Il James Webb Space Telescope sarà il più importante osservatorio scientifico spaziale al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarderà oltre i mondi lontani intorno ad altre stelle e sonderà le misteriose strutture e le origini del nostro universo e il nostro posto in esso.

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