Le blue straggler stars (in italiano “vagabonde blu”) sono stelle affascinanti e misteriose a causa del fatto che si formano attraverso processi esotici, come le collisioni dirette tra due astri durante il proprio moto orbitale all’interno di un ammasso stellare, o fenomeni di vero e proprio vampirismo, dove una stella sottrae materia alla compagna con cui è legata gravitazionalmente in un sistema binario. Un gruppo di scienziati guidati dal Prof. Ferraro del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell’Università di Bologna ha scoperto che le blue straggler più giovani preferiscono vivere in ambienti poco affollati, rispetto a quelli di alta densità`. La scoperta pubblicata oggi, 15 maggio 2023, sulla rivista Nature Communications è il risultato di uno studio ventennale condotto principalmente con il Very Large Telescope dell’ESO.
Le giovani blue straggler preferiscono gli ambienti poco affollati
Come si misura la rotazione stellare
La misura della rotazione di una stella per via spettroscopica richiede un telescopio potente della classe di 8 metri (come il Very Large Telescope dell’ESO) e uno spettrometro ad alta risoluzione in grado di risolvere la forma di una riga di assorbimento spettrale. Le righe di assorbimento sono regioni dello spettro elettromagnetico in cui la radiazione è assorbita per la presenza di determinati elementi chimici nell’atmosfera di una stella. Ogni elemento chimico nell'atmosfera stellare lascia una sorta di impronta digitale che permette di identificare in maniera univoca la sua presenza. Dall'analisi quantitativa delle righe di assorbimento è possibile riconoscere la presenza e misurare l’abbondanza di uno specifico elemento chimico (per esempio, ossigeno, magnesio, ferro, ...). Per di più, dalla forma della riga spettrale si può misurare la velocita di rotazione: tanto più velocemente una stella ruota, tanto più larga e deformata sarà la riga spettrale.
Mentre la normale formazione stellare avviene attraverso la contrazione di una nube di gas, alcuni astri, una volta formati, possono essere ringiovaniti da processi esotici in grado di fornir loro una seconda giovinezza: sono le cosiddette blue stragglers (in italiano le vagabonde blu). I processi che ringiovaniscono le stelle vecchie sotto forma di vagabonde blu sono le collisioni stellari e fenomeni di vampirismo (trasferimento di massa) in sistemi binari, in cui una delle due stelle acquisisce massa a spese della sua compagna. In entrambi i casi, il risultato è che da due vecchi astri (vecchi anche quanto l’universo, cioè formatisi 12-13 miliardi di anni fa) si genera una nuova stella che, rispetto ai suoi progenitori, non solo è più massiccia, più luminosa e più blu, ma gira anche su se stessa come una trottola impazzita: mentre le stelle normali ruotano attorno al proprio asse con velocità inferiori a 20 km/s, le blue straggler giovani possono arrivare addirittura fino a 200 km/s!
Un’elevata rotazione su se stesse è una caratteristica comune delle stelle giovani. Infatti, a causa di fenomeni di frenamento ancora in parte sconosciuti (soprattutto per le blue straggler), la velocità di rotazione si riduce progressivamente nel tempo e gli astri più vecchi girano sempre meno velocemente. Per le stelle normali si pensa che la rotazione rallenti su tempi scala dell’ordine del miliardo di anni. Per esempio, il nostro Sole (che un’età di 4.5 miliardi di anni) è un tipico esempio di rotatore lento (2 km/s).
In questo studio sono state identificate vagabonde blu che ruotano fino a 100 volte più veloci del nostro Sole, mostrando così di essere proprio all’inizio della loro nuova vita. Ma la percentuale di blue straggler altamente rotanti non è risultata la stessa in tutti gli ambienti: l’habitat preferito dalle trottole veloci (con velocità di rotazione superiore a 40 km/s), quindi delle blue straggler formatesi più di recente, è quello degli ambienti poco affollati. Infatti, circa il 40% delle blue straggler osservate in ammassi di bassa densità mostra elevate velocità di rotazione, mentre in ambienti ad alta densità la percentuale di rotatori veloci scende di un fattore 10, per attestarsi attorno al 3-4%.
Questa è la prima chiara relazione mai trovata tra le proprietà fisiche delle blue straggler e l’ambiente in cui si formano.
Per ulteriori informazioni
Francesco Ferraro
email: francesco.ferraro3@unibo.it
tel: +390512095774
mobile: +393666357560
Ricercatori coinvolti nella ricerca:
Universita` di Bologna: Francesco R. Ferraro, Alessio Mucciarelli, Barbara Lanzoni, Cristina Pallanca, Mario Cadelano, Alex Billi
INAF-OAS: Emanuele Dalessandro
McMaster University (Canada): Alison Sills
Indiana University (USA): Enrico Vesperini
European Souhern Observatory (Germania): Giacomo Beccari
Universidad Andres Bello (Chile): Lorenzo Monaco
University of Michigan (USA): Mario Mateo
Così, la misura della velocità di rotazione rappresenta un potente strumento per distinguere le blue straggler appena nate, da quelle più vecchie. È da notare che in ammassi stellari vecchi come gli ammassi globulari (che sono privi di gas), la nascita delle vagabonde blu è l’unica possibile attività di formazione stellare recente, e dunque l’unico processo in grado di alimentare la generazione di trottole veloci.
La scoperta pubblicata su Nature Communications è il risultato del primo studio sistematico delle velocità di rotazione delle blue straggler, effettuato su un campione di oltre 300 stelle in otto ammassi globulari della Via Lattea, tutti estremamente vecchi (si sono formati 12 miliardi di anni fa), ma con differenti caratteristiche strutturali che offrono una panoramica delle diverse condizioni ambientali in cui le vagabonde blu si possono formare. Ci sono infatti ammassi stellari a bassa densità (come M4, omega Centauri, M55 e NGC3201) e ammassi ad alta densità centrale (come 47 Tucanae, NGC6397, NGC6752 e M30), insomma otto magnifici laboratori naturali in cui studiare il comportamento delle vagabonde blu.
Illustrazione dei due processi di formazione delle blue straggler (collisioni stellari, a sinistra, trasferimento di massa in sistemi binari, a destra), che producono una stella ringiovanita in rapida rotazione attorno al proprio asse.
Immagini dei 4 ammassi globulari di bassa densita` analizzati in questo studio. Da sinistra a destra: M55, M4, omega Centauri e NGC 3201.
Immagini dei 4 ammassi globulari di alta densita` analizzati in questo studio. Da sinistra a destra: 47 Tucanae, M30, NGC 6397 e NGC 6752.
La scoperta apre nuovi orizzonti sia lo studio sia di queste stelle, che per la comprensione dell’evoluzione degli ammassi globulari. Infatti, il risultato ottenuto indica come la formazione di blue straggler sia in pieno svolgimento in ammassi di bassa densita, mentre e’ attualmente notevolmente ridotta in ambienti molto densi. La spiegazione e` probabilmente collegata ai diversi meccanismi di formazione delle blue straggler nei due tipi d’ambiente e all’evoluzione degli ammassi stellari nel tempo (che diventano progressivamente sempre piu densi al centro). Questa scoperta apre anche la possibilità di determinare il tasso di formazione di queste stelle (via collisioni o vampirismo) in diversi ambienti, e l’età di formazione di ciascuna blue straggler attraverso la sola misura della loro velocità di rotazione straggler (gyro-chronology).
Relazione tra la percentuale di rotatori veloci e la densità centrale degli 8 ammassi studiati.
