Il gas raggiunge le giovani stelle lungo le linee di campo magnetico


Immagine artistica dei flussi di gas caldi che aiutano le giovani stelle a crescere. I campi magnetici guidano la materia dal disco circumstellare circostante, il luogo di nascita dei pianeti, alla superficie della stella, dove producono intense esplosioni di radiazioni.

Gli astronomi hanno utilizzato lo strumento GRAVITY per studiare le immediate vicinanze di una giovane stella in modo più dettagliato che mai. Le loro osservazioni confermano una teoria trentennale sulla crescita delle giovani stelle: il campo magnetico prodotto dalla stella stessa dirige il materiale da un disco di accrescimento circostante di gas e polvere sulla sua superficie. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature, aiutano gli astronomi a capire meglio come si formano stelle come il nostro Sole e come i pianeti simili alla Terra vengono prodotti dai dischi che circondano questi oggetti stellari.


Quando le stelle si formano, iniziano con l’essere relativamente piccole e si trovano in profondità all’interno di una nube di gas. Nel corso delle centinaia di migliaia di anni successivi, esse attirano su di sé sempre una maggiore quantità del gas circostante, aumentando la loro massa nel processo. Utilizzando lo strumento GRAVITY, un gruppo di ricercatori che comprende astronomi e ingegneri del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), ha ora trovato la prova più diretta di come quel gas viene incanalato sulle giovani stelle: è guidato dal campo magnetico della stella sulla superficie in una stretta colonna.

Le scale di lunghezza rilevanti sono così piccole che anche con i migliori telescopi attualmente disponibili non sono possibili immagini dettagliate del processo. Tuttavia, utilizzando le più recenti tecnologie di osservazione, gli astronomi possono almeno raccogliere alcune informazioni. Per il nuovo studio, i ricercatori si sono avvalsi del superbo potere risolutivo dello strumento chiamato GRAVITY. Esso combina quattro telescopi VLT da 8 metri dell’European Southern Observatory (ESO) dell’Osservatorio Europeo del Sud (ESO) presso l’osservatorio di Paranal in Cile in un telescopio virtuale in grado di distinguere piccoli dettagli così come potrebbe fare un telescopio con uno specchio di 100 metri.

Utilizzando GRAVITY, i ricercatori hanno potuto osservare la parte interna del disco di gas che circonda la stella TW Hydrae. “Questa stella è speciale perché è molto vicina alla Terra a soli 196 anni luce di distanza, e il disco di materia che circonda la stella è direttamente rivolto verso di noi”, dice Rebeca García López (Max Planck Institute for Astronomy, Dublin Institute for Advanced Studies e University College Dublin), principale autrice e principale scienziata di questo studio. “Questo lo rende un candidato ideale per sondare il modo in cui la materia da un disco che forma un pianeta viene incanalata sulla superficie stellare”.

L’osservazione ha permesso agli astronomi di dimostrare che la radiazione del vicino infrarosso emessa dall’intero sistema ha effettivamente origine nella regione più interna, dove l’idrogeno gassoso cade sulla superficie della stella. I risultati puntano chiaramente verso un processo noto come accrescimento magnetosferico, cioè la caduta di materia guidata dal campo magnetico della stella.

Nascita stellare e crescita stellare

Una stella nasce quando una regione densa all’interno di una nube di gas molecolare collassa sotto la sua stessa gravità, diventa considerevolmente più densa, si riscalda nel processo, fino a quando alla fine la densità e la temperatura nella protostella risultante sono così elevate che inizia la fusione nucleare dell’idrogeno in elio. Per le protostelle fino a circa due volte la massa del Sole, la decina di milioni di anni circa prima dell’accensione della fusione nucleare protone-protone costituisce la cosiddetta fase T Tauri (dal nome della prima stella osservata di questo tipo, T Tauri nella costellazione del Toro).

Le stelle che vediamo in quella fase del loro sviluppo, note come stelle T Tauri, brillano abbastanza intensamente, in particolare alla luce infrarossa. Questi cosiddetti “giovani oggetti stellari” (YSO) non hanno ancora raggiunto la loro massa finale: sono circondati dai resti della nube da cui sono nati, in particolare dal gas che si è contratto in un disco circumstellare che circonda la stella. Nelle regioni esterne di quel disco, polvere e gas si raggruppano e formano corpi sempre più grandi, che alla fine diventeranno pianeti. Grandi quantità di gas e polveri provenienti dalla regione interna del disco, invece, vengono attirate sulla stella, aumentandone la massa. Infine, ma non meno importante, l’intensa radiazione della stella scaccia una parte considerevole del gas come vento stellare.

Ingenuamente, si potrebbe pensare che trasportare gas o polvere su un corpo massiccio e gravitante sia facile. Invece, si scopre che non è affatto così semplice. A causa di ciò che i fisici chiamano conservazione della quantità di moto angolare, è molto più naturale per qualsiasi oggetto – sia esso un pianeta o una nube di gas – orbitare attorno a una massa piuttosto che cadere direttamente sulla sua superficie. Uno dei motivi per cui una certa materia riesce comunque a raggiungere la superficie è un cosiddetto disco di accrescimento, in cui il gas orbita attorno alla massa centrale. All’interno vi è un’abbondanza di attrito interno che permette continuamente ad una parte del gas di trasferire il suo momento angolare ad altre porzioni di gas e di spostarsi ulteriormente verso l’interno. Tuttavia, a una distanza dalla stella inferiore a 10 volte il raggio stellare, il processo di accrescimento diventa più complesso. Attraversare quest’ultima distanza è complicato.

Trent’anni fa, Max Camenzind, alla Landessternwarte Königstuhl (che da allora è diventata parte dell’Università di Heidelberg), propose una soluzione a questo problema. Le stelle hanno tipicamente campi magnetici – quelli del nostro Sole, per esempio, accelerano regolarmente particelle cariche di elettricità nella nostra direzione, portando al fenomeno dell’aurora boreale o australe. In quello che è diventato noto come accrescimento magnetosferico, i campi magnetici del giovane oggetto stellare guidano il gas dal bordo interno del disco circumstellare alla superficie in flussi distinti simili a colonne, aiutandoli a rilasciare la quantità di moto angolare in un modo che permette al gas di fluire sulla stella.

Nello scenario più semplice, il campo magnetico è simile a quello della Terra. Il gas proveniente dal bordo interno del disco verrebbe incanalato verso il polo nord magnetico e verso il polo sud magnetico della stella.

Controllo dell’accrescimento magnetosferico

Avere un modello che spiega certi processi fisici è una cosa. Tuttavia, è importante essere in grado di testare quel modello utilizzando le osservazioni. Ma le scale di lunghezza in questione sono dell’ordine dei raggi stellari, molto piccoli su scale astronomiche. Fino a poco tempo fa, tali scale di lunghezza erano troppo piccole, anche intorno alle stelle giovani più vicine, perché gli astronomi potessero scattare una foto che mostrasse tutti i dettagli rilevanti.

Rappresentazione schematica del processo di accrescimento magnetosferico del materiale su una giovane stella. I campi magnetici prodotti dalla stella giovane trasportano il gas attraverso i canali di flusso dal disco alle regioni polari della stella. Il gas di idrogeno ionizzato emette un’intensa radiazione infrarossa. Quando il gas colpisce la superficie della stella, si verificano degli urti che danno origine all’alta luminosità della stella.

La prima indicazione che l’accrescimento magnetosferico è effettivamente presente è venuta dall’esame degli spettri di alcune stelle T Tauri. Gli spettri delle nubi di gas contengono informazioni sul movimento del gas. Per alcune stelle T Tauri, gli spettri hanno rivelato la caduta di materiale su disco sulla superficie stellare con velocità fino a diverse centinaia di chilometri al secondo, fornendo una prova indiretta della presenza di flussi di accrescimento lungo le linee di campo magnetico. In alcuni casi, la forza del campo magnetico vicino ad una stella T Tauri potrebbe essere misurata direttamente da una combinazione di spettri ad alta risoluzione e polarimetria, che registra l’orientamento delle onde elettromagnetiche che riceviamo da un oggetto.

Più recentemente, gli strumenti sono diventati sufficientemente avanzati – più specificamente: hanno raggiunto una risoluzione sufficientemente alta, una capacità sufficientemente buona di discernere piccoli dettagli – in modo da consentire osservazioni dirette che forniscono intuizioni sull’accrescimento magnetosferico.

Lo strumento GRAVITY gioca un ruolo chiave in questo senso. È stato sviluppato da un consorzio che comprende il Max Planck Institute for Astronomy, guidato dal Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. In funzione dal 2016, GRAVITY collega i quattro telescopi di 8 metri del VLT, situati presso l’osservatorio Paranal dell’European Southern Observatory (ESO). Lo strumento utilizza una tecnica speciale nota come interferometria. Il risultato è che la GRAVITY è in grado di distinguere dettagli così piccoli come se le osservazioni fossero effettuate da un singolo telescopio con uno specchio di 100 metri.

Nell’estate del 2019, un team di astronomi guidato da Jerome Bouvier dell’Università di Grenobles Alpes ha utilizzato GRAVITY per sondare le regioni interne della Stella T Tauri con la designazione DoAr 44. Essa denota la 44a stella Tauri in una vicina regione di formazione stellare nella costellazione Ofiuco, catalogata alla fine degli anni ’50 dall’astronoma georgiana Madona Dolidze e dall’astronomo armeno Marat Arakelyan. Il sistema in questione emette una luce considerevole ad una lunghezza d’onda che è caratteristica per l’idrogeno altamente eccitato. La radiazione ultravioletta energica proveniente dalla stella ionizza i singoli atomi di idrogeno nel disco di accrescimento che orbita attorno alla stella.

Il campo magnetico influenza quindi i nuclei di idrogeno elettricamente carichi (ciascuno un singolo protone). I dettagli dei processi fisici che riscaldano l’idrogeno gassoso mentre si muove lungo la corrente di accrescimento verso la stella non sono ancora compresi. Le linee spettrali notevolmente ampliate osservate mostrano che il riscaldamento avviene.

Per le osservazioni di GRAVITY, la risoluzione angolare è stata sufficientemente alta da mostrare che la luce non è stata prodotta nel disco circumstellare, ma più vicina alla superficie della stella. Inoltre, la sorgente di quella particolare luce era leggermente spostata rispetto al centro della stella stessa. Entrambe le proprietà sono coerenti con la luce emessa vicino ad un’estremità di un imbuto magnetico, dove l’idrogeno gassoso in caduta si scontra con la superficie della stella.

Questi risultati sono stati pubblicati in un articolo sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

I nuovi risultati, che ora sono stati pubblicati sulla rivista Nature, fanno un passo avanti.

In questo caso, le osservazioni GRAVITY hanno preso di mira la stella T Tauri TW Hydrae, una giovane stella della costellazione dell’Hydra. È probabilmente il sistema meglio studiato nel suo genere.

Troppo vicino per far parte del disco

Con queste osservazioni, Rebeca García López e i suoi colleghi hanno spinto i confini ancora più all’interno. GRAVITY potrebbe vedere le emissioni corrispondenti alla linea associata all’idrogeno altamente eccitato (Brackett-γ, Brγ) e dimostrare che esse provengono da una regione non più di 3,5 volte il raggio della stella attraverso (circa 3 milioni di km, o 8 volte la distanza tra la Terra e la Luna).

Questa è una differenza significativa. Secondo tutti i modelli basati sulla fisica, il bordo interno di un disco circumstellare non può essere così vicino alla stella. Se la luce proviene da quella regione, non può essere emessa da nessuna sezione del disco. A quella distanza, la luce non può anche essere dovuta a un vento stellare spazzato via dal giovane oggetto stellare – l’unica altra possibilità realistica. Preso nel suo insieme, ciò che rimane come spiegazione plausibile è il modello di accrescimento magnetosferico.

Cosa avverrà in futuro?

Nelle osservazioni future, sempre utilizzando GRAVITY, i ricercatori cercheranno di ottenere dati che consentano una ricostruzione più dettagliata dei processi fisici vicini alla stella.

“Osservando la posizione dell’estremità inferiore dell’imbuto nel tempo, speriamo di raccogliere indizi su quanto siano distanti i poli nord e sud magnetici dall’asse di rotazione della stella”, spiega Wolfgang Brandner, coautore e scienziato di MPIA. Se il polo Nord e il polo Sud fossero direttamente allineati con l’asse di rotazione, la loro posizione nel tempo non cambierebbe affatto.

Sperano anche di raccogliere indizi sul fatto che il campo magnetico della stella sia davvero semplice come una configurazione Polo Nord – Polo Sud. “I campi magnetici possono essere molto più complicati e avere poli aggiuntivi”, spiega Thomas Henning, Direttore di MPIA.

“I campi possono anche cambiare nel tempo, il che fa parte di una presunta spiegazione delle variazioni di luminosità delle stelle T Tauri”.

Tutto sommato, questo è un esempio di come le tecniche di osservazione possano guidare il progresso dell’astronomia. In questo caso, le nuove tecniche osservazionali incarnate in GRAVITY sono state in grado di confermare le idee sulla crescita dei giovani oggetti stellari che sono state proposte già 30 anni fa. E le osservazioni future ci aiuteranno a capire ancora meglio come vengono alimentate le stelle neonate.

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