La Nascita di Stelle e Pianeti

La Nascita di Stelle e Pianeti

Un team internazionale guidato da ricercatori dell’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) ha utilizzato una nuova tecnica di imaging a raggi infrarossi per rivelare gli spettacolari momenti della formazione di stelle e pianeti. Sembra che quest’ultima si verifichi quando il materiale circostante cade verso stelle neonate molto attive, che poi se ne nutrono voracemente, anche se rimangono nascoste all’interno delle nubi in cui sono state generate. Il team ha utilizzato lo strumento HiCIAO (High Contrast Instrument for the Subaru Next-Generation Adaptive Optics), sul telescopio Subaru alle Hawaii, per osservare una serie di stelle appena formate. I risultati dello studio portano nuova luce sulla nostra comprensione di come si formino stelle e pianeti.

Le stelle nascono quando nubi giganti di polveri e gas collassano per effetto della loro stessa gravità. Si ritiene che i pianeti nascano quasi nello stesso momento delle stelle nello stesso disco di materiale. Tuttavia, ci sono ancora una serie di misteri sui processi fisici dettagliati che si verificano durante la formazione. Le strutture giganti formate da polvere e gas in cui si formano le stelle vengono chiamate “nubi molecolari” perché sono in gran parte costituite da molecole di idrogeno e altri gas. Nel corso del tempo, la gravità nelle regioni più dense di queste nubi agisce sul gas e sulle polveri circostanti, tramite un processo chiamato “accrescimento”. Spesso si è ritenuto che questo processo sia graduale e continuo. Tuttavia, questo afflusso costante di materiale nel disco spiega solo una piccola frazione della massa finale di ogni stella che nasce nella nube.

Gli astronomi stanno ancora lavorando per capire quando e come il restante materiale venga raccolto durante il processo di formazione di stelle e pianeti. Alcune stelle sono note in quanto associate ad una frenesia improvvisa e violenta di “alimentazione” all’interno della loro nursery stellare. Quando la stella è così ghiotta di materiale circostante, la sua luce visibile aumenta improvvisamente e con vigore, di un fattore di circa cento volte.
Questi flare improvvisi di luminosità vengono chiamati “FU Orionis outbursts”, perché sono stati scoperti per la prima volta nella stella variabile FU Orionis.Non sono molte le stelle associate a tali outbursts, solo una decina di migliaia. Tuttavia, gli astronomi ipotizzano che tutte le stelle neonate possano sperimentarli come momenti della loro crescita. La ragione per cui osserviamo FU Orionis outbursts soltanto in alcune stelle neonate è semplicemente perché sono relativamente tranquille per la maggior parte del tempo. Una domanda chiave di questo misterioso aspetto della nascita stellare è: “Quali sono i meccanismi fisici dettagliati di queste variazioni?” La risposta si trova nella regione che circonda la stella. Gli astronomi sanno che gli outbursts ottici sono associati ad un disco di materiale intorno alla stella, chiamato “disco di accrescimento”.La sua luminosità aumenta significativamente quando il disco viene riscaldato fino a temperature simili a quelle delle colate sulla Terra (circa da 700 a 1200 C o 1292-2182 F), come la lava che scorre sul vulcano Kilauea alle Hawaii. Diversi processi sono stati proposti come innesco per gli outburts e gli astronomi li hanno indagati nel corso degli ultimi decenni.

Un team internazionale guidato dai dottori Hauyu Baobab Liu e Hiro Takami, due ricercatori della ASIAA, ha usato una tecnica disponibile sul telescopio Subaru per affrontare questa questione.
La tecnica, imaging polarimetry with coronagraphy, presenta enormi vantaggi per l’imaging degli ambienti nei dischi. In particolare, la sua elevata risoluzione angolare e sensibilità permettono agli astronomi di “osservare” più facilmente la luce proveniente dal disco.

Il materiale circumstellare è una miscela di gas e polveri. La quantità di polvere è significativamente più piccola rispetto alla quantità di gas presente nella nube, quindi ha poco effetto sul moto del materiale. Tuttavia, le particelle di polvere diffondono la luce dalla stella centrale, illuminando tutto il materiale circostante. La camera HiCIAO montata sul telescopio Subaru si adatta bene ad osservare questa luce circumstellare.
Ha permesso con successo al team di osservare quattro stelle che presentavano FU Ori outbursts. Le stelle si trovano a 1,500-3,500 anni luce dal nostro Sistema Solare. Le immagini ricavate sono state sorprendenti e affascinanti, e diverse da quanto precedentemente osservato attorno a giovani stelle.

Tre di esse presentano code insolite. Una presenta un “braccio”, una formazione creata dal moto del materiale intorno alla stella. Un’altra mostra formazioni asimmetriche, che possono derivare da un’eruzione che spazza via gas e polveri circumstellari. Nessuna di esse corrisponde al modello di crescita costante e ordinata.
Piuttosto, indicano un ambiente disordinato e caotico, molto simile a un bambino che mangia cibo voracemente.
Per comprendere le strutture osservate intorno a queste stelle appena nate, i teorici del team hanno studiato uno dei diversi meccanismi proposti per spiegare i FU Ori outbursts. Questo meccanismo suggerisce che l’azione della gravità nelle nubi di gas e polveri circostanti possa creare strutture complesse. Queste strutture di materiale dalla particolare forma cadono verso la stella ad intervalli irregolari.

Studiare queste strutture può anche rivelare come siano nati alcuni sistemi planetari. Gli astronomi sanno che alcuni esopianeti in altri sistemi stellari si trovano molto lontano dalle loro stelle madri.
A volte orbitano a più di mille volte la distanza tra il Sole e la Terra, e in un’orbita significativamente più grande dell’orbita di Nettuno. Queste distanze possono essere anche molto più ampie delle orbite previste dalle teorie standard di formazione dei pianeti. Simulazioni di strutture circumstellari complesse come quelle riprese da HiCIAO prevedono anche che alcuni grumi densi di materiale possano diventare col tempo pianeti giganti gassosi.
Questo potrebbe naturalmente spiegare la presenza di pianeti extrasolari che orbitano a così grande distanza dalla stella centrale.

Nonostante questi entusiasmanti nuovi risultati, c’è un ancora molto lavoro da fare per capire i meccanismi della formazione di stelle e pianeti. Sono necessari confronti più dettagliati tra l’osservazione e la teoria. Ulteriori osservazioni, in particolare con l’Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ci permetteranno di andare più in profondità nell’osservazione di nubi circumstellari di gas e polveri. Gli astronomi hanno anche in programma di costruire telescopi significativamente più grandi rispetto al Subaru nei prossimi decenni – tra cui il Thirty Meter Telescope (TMT) e l’European Extremely Large Telescope. Questi dovrebbero consentire studi dettagliati di regioni molto vicine a stelle appena formate.