La maggioranza delle stelle dell’Universo conclude la propria vita sotto forma di quelle che chiamiamo Nane Bianche (in inglese White Dwarfs, WDs), cioe` strutture non piu` in grado di produrre energia e che dunque si stanno progressivamente raffreddando e spegnendo. Un Gruppo di ricercatori guidati da scienziati dell’Universita` di Bologna (UNIBO) e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) ha utilizzato osservazioni ottenute con il telescopio spaziale Hubble per studiare la popolazione di Nane Bianche in due sistemi stellari gemelli, scoprendo che non tutte queste stelle invecchiano allo stesso modo: alcune invecchiano (si spengono) piu` lentamente di altre. La scoperta compare oggi, 6 settembre 2021, nel prestigioso giornale Nature Astronomy. Il primo autore e` Jianxing Chen, uno studente di Dottorato dell’Alma Mater Studiorum, associato INAF, che fa parte del gruppo stellare guidato dal Prof. Francesco Ferraro al Dipartimento di Fisica e Astronomia “A. Righi” dell’UNIBO.

Non tutte le stelle invecchiano allo stesso modo.

Le nane bianche svelano il segreto per

invecchiare piu` lentamente..

... il segreto?  E` scritto nel loro passato!

Gli ammassi globulari gemelli M3 (a sinistra) e M13 (a destra) visti dal telescopio spaziale Hubble (HST).

Gli ammassi globulari sono aggregati stellari che ospitano da centinaia di migliaia, fino a qualche milione di stelle, legate insieme dalla mutua attrazione gravitazionale. M3 e` situato nella costellazione dei Cani da Caccia,  contiene circa mezzo milione di stelle e dista 33,000 anni luce dalla Terra. M13 si trova nella costellazione di Ercole, e` appena piu` vicino (circa 25000 anni luce) e contiene un po` meno stelle (diverse centinaia di migliaia di stelle). Questi due sistemi sono molto simili tra loro in termini di eta` e composizione chimica delle stelle, formando una sorta di coppia di gemelli ideali per lo studio comparato delle popolazioni stellari.

La scoperta in breve:

nane bianche ad invecchiamento lento


Le Nane Bianche costituiscono la fase finale dell’evoluzione della maggioranza delle stelle nell’Universo (incluso il nostro Sole). Il loro invecchiamento e` descritto come un puro processo di raffreddamento, durante il quale queste strutture diventano progressivamente meno luminose e piu` fredde, non avendo nessuna fonte di energia. Il confronto tra le popolazioni di Nane Bianche in due ammassi stellari quasi identici (M3 e M13), reso possibile da straordinarie immagine acquisite con il telescopio spaziale Hubble, ha dimostrato che queste stelle non invecchiano tutte allo stesso modo. Alcune Nane Bianche invecchiano piu` lentamente di altre, perche’ sono state in grado di trattenere un sottilissimo strato di idrogeno che consente loro di produrre ancora energia attraverso le reazioni termonucleari. E` la prima volta che questo fenomeno viene osservato. La scoperta cambia la definizione stessa di Nana Bianca e la nostra comprensione dei processi di invecchiamento delle strutture stellari, con un impatto importante anche sui metodi che misurano l’eta` delle popolazioni stellari a partire dal sul tasso di invecchiamento delle Nane Bianche.

Le stelle non invecchiano e muoiono allo stesso modo. Mentre alcune di esse (con masse pari ad almeno  10 volte la massa del nostro Sole) concludono la loro vita con una gigantesca esplosione (le cosiddette Supernovae), la stragrande maggioranza delle stelle nell’Universo (circa il 98%) si spengne gradualmente: invecchiando, questi astri si raffreddano e diminuiscono progressivamente la loro luminosita`. Questo stadio finale dell’evoluzione delle stelle e` chiamato stadio di “Nana Bianca”. In pratica, si tratta del nucleo “nudo” di una stella che, dopo aver perso gli strati esterni, non e`piu` in grado di produrre alcuna forma di energia e si spegne lentamente, con un progressivo calo sia della luminosita`, che della temperatura. Infatti, la caratteristica principale di queste stelle e` che non sono piu` in grado di accendere le reazioni termonucleari (che sono la principale fonte  di energia delle stelle), ne’ possono alimentarsi tramite un processo di contrazione gravitazionale, dato che la loro densita` e` cosi’ elevata da renderle incomprimibili e farle raffreddare mantenendo per sempre le stesse dimensioni (a raggio costante). Per questa serie di motivi, si e` sempre ritenuto che tutte le Nane Bianche invecchino (cioe` si raffreddino e si spengano) allo stesso modo, con la stessa velocita`. La scoperta pubblicata oggi su Nature Astronomy, cambia completamente questo scenario.

Abbiamo scoperto che non tutte le Nane Bianche invecchiano allo stesso modo,” spiega Jianxing Chen, studente di dottorato dell’Alma Mater Studiorum, Universita` di Bologna e associato INAF, primo autore dell’articolo che riporta la scoperta, “Questa e` davvero una scoperta sorprendente, che va contro quello che si era pensato fino a questo momento .” 

Alcune di esse invecchiano piu` lentamente di altre e il segreto del loro lento invecchiamento e` scritto nel loro passato (nelle ultime fasi della loro vita, quelle che immediatamente precedono lo stadio di Nana Bianca). 

“La nostra scoperta dimostra che alcune Nane Bianche sono in grado di trattenere un sottilissimo strato di idrogeno. Uno strato veramente sottile (dell’ordine di un decimillesimo della massa del Sole), ma sufficiente per permettere una minima attivita` termonucleare che consente di produrre ancora un po’ di energia, rallentando cosi’ il processo di spegnimento e di raffraddamento, in pratica rallentando il loro invecchiamento”, aggiunge il  Prof. Francesco Ferraro dell’Alma Mater e associato INAF, che ha coordinato lo studio.   

La scoperta e` stata possibile grazie a osservazioni profondissime ottenute con il telescopio spaziale Hubble, in orbita da oltre 30 anni attorno alla Terra, ma che ancora non smette di stupire per la nitidizza delle sue immagini. In particolare, gli studiosi hanno utilizzato immagini di due ammassi stellari (ammassi globulari) noti con i nomi di Messier 3 e Messier 13 (M3 e M13).

“Questi due sistemi stellari sono sorprendentemente simili tra loro per molte caratteristiche, quali l’eta` e il  contenuto di metalli, e ospitano all’incirca lo stesso numero di stelle. Insomma sono una sorta di ammassi stellari gemelli”, dice Mario Cadelano, dell’INAF, che la 1 settembre e` diventato ricercatore presso l’Alma Mater, coautore della scoperta.

Ma come nel caso degli esseri umani, due gemelli sono simili ma spesso hanno alcune specifiche caratteristiche che li distinguono l’uno dall’altro. Infatti, la popolazione stellare di questi due sistemi mostra delle differenze importanti negli ultimi stadi dell’evoluzione delle stelle, come dimostra il diagramma riportato in Figura che sintetizza le proprieta` di luminosita` e temperatura delle stelle nei due sistemi.  Queste caratteristiche hanno reso la coppia M3-M13 il laboratorio cosmico ideale per studiare l’effetto di queste differenze sull’invecchiamento delle stelle.  

“L’eccezionale qualita` delle immagini ottenute con il telescopio Hubble ci ha fornito una spettacolare visione dell’intera popolazione di stelle presenti nei due ammassi, Nane bianche comprese, cosi’ da poter mettere a confronto diretto le proprieta` principali nei due sistemi”, aggiunge Barbara Lanzoni, professoressa di II fascia dell’UNIBO e associata INAF, co-autrice dell’articolo.

E il confronto e` stato una vera sorpresa. La popolazione di Nane Bianche in M13 e` risultata decisamente piu` numerosa di quella di M3 nello stesso intervallo di luminosita` (oltre 460 Nane Bianche sono state contate in M13, contro le 326 di M3). Questo fatto appare ancora piu` sorpendente tenendo conto che, globalmente, M13 contiene meno stelle di M3. La differenza deve dunque essere legata alle proprieta` stesse delle Nane Bianche di M13, in particolare ad un piu` lento processo di invecchiamento: affievolendosi piu` lentamente, il numero di stelle ancora osservabili in un dato intervallo di luminosita` e` maggiore in M13, che in M3.

“Modelli teorici che prevedevano Nane Bianche ad invecchiamento lento erano stati proposti alcuni anni fa considerando la possibilita` che alcune stelle non perdano completamente il loro inviluppo di idrogeno prima dello stadio finale. Questa riserva di idrogeno puo` alimentare la produzione di energia e quindi ritardare il processo di invecchiamento delle Nane bianche. Tuttavia questo effetto non era mai stato osservato prima”, dice Leandro Althaus, professore dell’Universidad Nacional de La Plata Argentina, il teorico che ha sviluppato i primi modelli di Nane Bianche ad invecchiamento lento, anch’egli co-autore dell’articolo. Questa inaspettata fonte di energia rallenta il raffreddamento di questi astri, producendo un invecchiamento ritardato. Queste stelle appaiono del tutto simili alle loro sorelle “normali”, ma di fatto, grazie a questa extra-riserva di energia, semplicemente invecchiano piu` lentamente. 

E` dunque questo il processo che puo` generare Nane Bianche ad invecchiamento lento.

Ma perche` queste stelle sono pesenti in M13 e non in M3?   

La chiave di questo mistero e` scritta nel loro passato. Infatti, la domanda chiave a questo punto diventa: Qual e` il processo fisico in grado di rimuove l’idrogeno dall’inviluppo delle stelle che stanno diventando Nane Bianche? 


Il responsabile e` un processo di rimescolamento che avviene immediatamente prima della definitiva rimozione dell’inviluppo: rimescolando il gas, questo processo trasporta l’idrogeno dell’inviluppo fin nelle regioni piu` interne della stella, dove viene bruciato. Cosi’, a valle di questo rimescolamento, una stella arriva allo stato di Nana Bianca senza idrogeno residuo. Tuttavia, in alcune stelle, di pochissimo piu` leggere delle loro sorelle, questo processo non riesce ad attivarsi e l’astro arriva alla fase di Nana Bianca con un sottilissimo (ma sufficiente) strato di idrogeno che gli consente di invecchiare piu` lentamente. Questo e` cio` che avviene nella gran parte delle stelle di M13, mentre quelle di M3, essendo (seppur di poco) piu` massicce, vengono “rimescolate” e affrontano la fase finale della loro esistenza senza poter piu` produrre energia, invecchiando piu` rapidamente.


Come signori di una certa eta` ormai in pensione, cosi’ le Nane Bianche generalmente hanno completato il loro periodo attivo di produzione (di energia) e serenamente invecchiano (si affievoliscono e si raffreddano). La scoperta di oggi dimostra che questo non e` vero per tutte. Ci sono Nane Bianche che, in virtu` del loro fortunato passato, possono contare su un’extra riserva di energia, che le fa invecchiare piu` lentamente. Ritornando alla similitudine con le vicende umane, ci sono esperienze nella vita dell’uomo che fanno si’ che si arrivi all’eta` della pensione completamente privi di energia. Tuttavia alcuni individui particolarmente fortunati possono evitare queste esperienze traumatiche e arrivare alla pensione con un’extra riserva di energia che permette loro di invecchiare piu` lentamente. Nel caso delle stelle, il processo di rimescolamento dell’inviluppo e` l’esperienza traumatica che estingue tutte le possibili riserve di energia delle stelle.

Si capisce bene, quindi, come la scoperta delle ‘Nane Bianche ad invecchiamento lento’ abbia permesso di esplorare la storia evolutiva di due popolazioni di stelle che, grazie ad una minima differenza, riescono o non riescono a preservare una fonte di energia”, dice Cristina Pallanca, ricercatrice dell’UNIBO, co-autrice dell’articolo.

“Effettivamente, combinando i modelli delle Nane Bianche ad invecchiamneo lento, con i modelli di evoluzione stellare siamo stati in grado di ricostruire perfettamente le due popolazioni stellari osservate in M3 ed M13, in tutte le fasi evolutive. Questo ci ha consentito di collegare in maniera causale i principali eventi che caratterizzano l’evoluzione delle stelle di piccolo massa“, aggiunge Maurizio Salaris, professore alla John Moores University di Liverpool (UK), uno dei massimi esperti di evoluzione stellare, co-autore dell’articolo.  


Questa scoperta ha dirette conseguenze su come gli astrofisici misurano l’eta` delle stelle nella nostra galassia. Infatti, nell’ottica (adottata finora) che l’evoluzione delle Nane Bianche fosse un processo di puro raffreddamento e affievolimento, la relazione tra la loro eta` e la loro luminosita` o temperatura era cosi’ stringente che il tasso di invecchiamento di queste stelle e` stato utilizzato come una sorta di orologio naturale. “La nostra scoperta dimostra che questo orologio va usato con cautela: alcune di quelle Nane Bianche possono essere ad invecchaimento lento e l’errore nella determinazione dell’eta` puo essere rilevante: fino ad un miliardo di anni”, commenta Emanuele Dalessandro, ricercatore dell’INAF, co-autore della scoperta.

“In conclusione, la nostra scoperta cambia la definizione stessa di Nana Bianca cosi’ come siamo abituati ad insegnarla agli studenti nei corsi di astrofisica, aprendo un nuova prospettiva sui processi che regolano l’invecchiamento delle strutture stellari. Adesso stiamo esplorando altri sistemi stellari simili ad M13 per comprendere meglio i meccanismi che regolano la capacita` di  mantenere o meno quel sottile strato di idrogeno da cui dipende la rapidita` di invecchiamento di questi astri straordinari”, conclude Ferraro.

Per ulteriori informazioni

Francesco Ferraro

email: francesco.ferraro3@unibo.it

tel: +390512095774

mobile: +393666357560

Ricercatori coinvolti nella ricerca:

Universita` di Bologna: Jianxing Chen, Francesco R. Ferraro, Cristina Pallanca, Barbara Lanzoni

INAF-OAS: Mario Cadelano, Emanuele Dalessandro

Liverpool John Moores University (UK): Maurizio Salaris

Universidad Nacional de La Plata (Argentina): Leandro Althaus

Il team UniBO-INAF.

Da sinistra, Francesco Ferraro (UniBO-INAF), Barbara Lanzoni (UniBO-INAF), Jianxing Chen (UniBO-INAF), Cristina Pallanca (UniBO-INAF), Mario Cadelano (INAF), Emanuele Dalessandro (INAF).

Credit: ESA/Hubble & NASA, G. Piotto et al.