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.