Come gli astronomi ascoltano il suono delle stelle


Il funzionamento interiore delle stelle è stato a lungo un mistero, ma le onde sonore ci permettono di guardare ciò che accade nelle profondità delle nostre vicine stellari.


L’interno di una stella è un luogo rumoroso, molte stelle canticchiano canzoni a se stesse. Non possiamo sentire direttamente questi canti perché le onde sonore non possono sfuggire alla stella, ma creano un effetto visibile sulla superficie.

Le onde sonore che rimbalzano continuamente all’interno di una stella fanno sì che questa si gonfi e si contragga, e questi movimenti causano variazioni della temperatura in superficie, che possono essere rilevate come variazioni della luminosità di una stella.

Tutte le stelle hanno un modello di luminosità che cambia nel tempo, noto come curva di luce, ma se ci sono numerose onde sonore contemporaneamente questo modello può diventare affollato e difficile da analizzare.

Una tecnica matematica nota come trasformata di Fourier può essere utilizzata per strappare le singole frequenze dalla curva di luce.

Misurando caratteristiche come la spaziatura tra le frequenze, è possibile imparare molto sulla stella, come la sua massa, le dimensioni e l’età.

Mentre alcune stelle variabili hanno curve di luce prevedibili, altre possono essere molto più caotiche – un risultato di diverse onde acustiche emanate allo stesso tempo che alterano la luminosità della stella.

Il telescopio spaziale Kepler ha fissato la stessa zona di cielo per quattro anni, il che è fondamentale per rilevare alcune delle onde sonore più “silenziose”.

Mentre lo scopo primario della missione Kepler era la ricerca di esopianeti, le lunghe osservazioni necessarie per trovare i pianeti sono perfette anche per individuare le frequenze sottili in centinaia di stelle pulsanti simili al Sole.

“Questo apre la possibilità di effettuare studi dettagliati sull’evoluzione e sulla struttura interna di stelle come il Sole”, dice Bill Chaplin dell’Università di Birmingham.

Queste pulsazioni sono molto più facili da rilevare nelle stelle giganti rosse rispetto a quelle meno avanzate nel ciclo di vita stellare, perché i periodi delle onde sonore nelle giganti rosse sono molto più lunghi.

Le stelle più giovani hanno periodi di pochi minuti, mentre un’onda sonora in una gigante rossa impiegherà ore per oscillare avanti e indietro.

Gli interni delle giganti rosse cambiano drasticamente man mano che si evolvono ulteriormente. Una volta esaurita la loro riserva di idrogeno nel nucleo, le giganti rosse bruciano l’idrogeno in un guscio intorno a un nucleo morto.

Il nucleo alla fine si riaccende, questa volta bruciando elio. In entrambi i casi la gigante rossa ha lo stesso aspetto in superficie – ma Kepler ha dimostrato che le firme asterosismiche sono molto diverse.

Distinguere le due popolazioni di giganti rosse è un salto di qualità nella nostra comprensione dell’evoluzione stellare.

Le giganti rosse in diversi stadi della vita possono apparire uguali verso l’esterno, ma differiscono internamente.

Le variabili Delta Scuti e le Gamma Doradus sono tipi di stelle di sequenza principale che hanno periodi di pulsazione distinti.

Entrambe le classi sono più calde del Sole, e tipicamente le stelle tipo Delta Scuti hanno temperature più alte delle stelle Gamma Doradus.

I diversi intervalli di temperatura fanno sì che queste stelle si trovino all’interno della loro regione sul diagramma di Hertzsprung-Russell (vedi sotto), che è ampiamente utilizzato per confrontare la temperatura e la luminosità delle stelle al fine di tracciare la loro evoluzione.

La teoria prevede che ci dovrebbe essere una manciata di stelle “ibride” nell’area di sovrapposizione tra le classi Delta Scuti e Gamma Doradus, e che questi ibridi mostreranno entrambi i tipi di pulsazioni.

È stata quindi una sorpresa quando Kepler ha rivelato centinaia di stelle ibride che erano disseminate sia nella regione delle Delta Scuti che in quella delle Gamma Doradus del diagramma di Hertzsprung-Russell.

Inoltre, alcune stelle che dovrebbero mostrare pulsazioni rimangono misteriosamente silenziose.

Un’altra curiosa scoperta fatta da Kepler è stata l’insolita doppia epoca delle variabili di RR Lyrae.

Queste hanno tipicamente periodi di pulsazione di circa mezza giornata, ma alcune di esse mostrano anche un periodo più lungo in cui la forma complessiva della curva di luce cambia su tempi che vanno da decine a centinaia di giorni, il cosiddetto effetto Blazhko.

I dati di Kepler hanno rivelato che le onde sonore di alcune di queste stelle possono variare su brevi intervalli di tempo o su lunghi intervalli di tempo, e si alternano tra i due, un effetto noto come “raddoppio del periodo”.

Il raddoppio del periodo è noto verificarsi in altri tipi di stelle variabili, ma non è mai stato visto nelle stelle RR Lyrae prima di Kepler.

Stranamente, il raddoppio del periodo si verifica solo nelle stelle che mostrano anche l’effetto Blazhko, indicando una connessione tra i due tipi di periodi.

La missione Kepler ha giocato un ruolo vitale in queste scoperte e nel campo dell’asterosismologia, ma nel 2013 due dei giroscopi del telescopio hanno dato forfait e sembrava che la missione fosse giunta al termine.

Tuttavia, il programma è stato riavviato come K2, osservando campi diversi per circa 80 giorni ciascuno. L’asterosismologia richiede lunghe osservazioni per la massima precisione. Il programma di archeologia galattica del K2 ha osservato le giganti rosse in gran parte della Galassia.

“In sostanza quello che facciamo è usare le stelle come sonde della struttura della Galassia e usiamo le età stellari come orologio per ottenere un quadro di come la Via Lattea si è evoluta nei suoi 13 miliardi di anni di storia”, spiega Dennis Stello dell’Università di Sydney, che analizza i dati del K2 come parte del suo lavoro nel Gruppo delle Oscillazioni Stellari dell’università.

Stelle come il nostro Sole possono essere studiate, e la necessità di osservare stelle più luminose significa che saranno disponibili informazioni su quelle stelle da altri metodi di osservazione a terra, permettendo una migliore caratterizzazione.

Le stelle della sequenza principale hanno due diversi tipi di onde sonore – quelle che riverberano negli strati esterni della stella e quelle che sono limitate al nucleo della stella.

L’analisi delle onde sonore del nucleo rivelerebbe il funzionamento più interno di una stella, ma attualmente è impossibile rilevare queste onde in stelle come il nostro Sole.

Poiché una stella della sequenza principale si evolve in una gigante rossa, la densità mutevole nel nucleo permette alle onde sonore di andare alla deriva verso l’alto e di interagire con le onde negli strati esterni, rendendole visibili agli astronomi.

Normalmente, un’onda sonora che è stata estratta dalla curva di luce mostrerà un singolo picco ad una certa frequenza.

Tuttavia, se la stella sta ruotando, questo singolo picco può essere suddiviso in più picchi. Misurando la divisione della frequenza dell’onda, è possibile misurare la velocità di rotazione della stella.

Con i dati della gigante rossa presi da Kepler, la scissione della rotazione può essere misurata sia per il nucleo che per la superficie.

Il confronto dei due insiemi di dati ha dimostrato che alcune stelle giganti rosse ruotano molto più velocemente all’interno.

Le trasformazioni di Fourier possono essere utilizzate per dedurre caratteristiche quali la dimensione e la massa di una stella.

Lo studio delle oscillazioni del nostro Sole, noto come eliosismologia, è iniziato nel 1962, e avere decenni di dati sul Sole ha rivelato molto sulla nostra stella.

Per esempio, alcune frequenze di pulsazione variano con il ciclo di attività di 11 anni.

L’eliosismologia ha aperto la strada all’asterosismologia. Mentre il disco del Sole può essere risolto, l’osservazione del Sole come se fosse una fonte puntiforme distante ha fatto sì che le conoscenze acquisite attraverso l’eliosismologia possano essere sfruttate quando si osservano altre stelle simili al Sole.

La missione Kepler ha misurato le oscillazioni in oltre 500 stelle simili al Sole, decifrando parametri come la massa, il raggio e l’età.

Prima di Kepler, solo circa 20 stelle avevano misurato le pulsazioni.

I parametri stellari dell’asterosismologia sono generalmente misurati con una precisione senza precedenti, che è di particolare importanza per le stelle che ospitano esopianeti, e quindi si collegano bene con l’obiettivo principale della missione Kepler.

Senza conoscere i dettagli della stella ospite, è impossibile individuare le proprietà del pianeta. Per esempio, conoscere la massa e il raggio del pianeta aiuterà a rivelare se è composto da ferro denso o da roccia porosa.

Fonte