22 Ott 2021 Una Compagna Stellare per la Sintesi del Carbonio
Un nuovo studio dimostra che le stelle massicce in un sistema binario producono una quantità di carbonio due volte maggiore rispetto alle stelle singole. La scoperta ha importanti implicazioni per la studio delle origini cosmiche degli elementi, compresi quelli alla base della nostra stessa vita.
L’origine del carbonio, elemento essenziale per la vita, è ancora incerta. I primi raggruppamenti di stelle erano chimicamente semplici, formati da idrogeno, elio e poco litio, elementi creati dopo il Big Bang nei primi istanti di esistenza dell’Universo. In astrofisica viene definito metallo ogni elemento più pesante di idrogeno ed elio: le stelle più antiche erano povere di metalli, mentre le stelle successive si formarono a partire da materiale accumulato da generazioni di stelle precedenti, in grado di produrre metalli durante la loro vita e la loro morte. Crescendo l’età dell’Universo cresce anche il contenuto di metalli, grazie alla nucleosintesi stellare e all’arricchimento del mezzo interstellare.
Le stelle di alta massa producono elementi molto più velocemente rispetto alle stelle piccole: fondono idrogeno ed elio in carbonio, e convertono il carbonio in magnesio, sodio e neon. Le più massicce muoiono esplodendo come supernove e rilasciando elementi, dall’ossigeno al silicio al selenio, nello spazio circostante. Le stelle di piccola massa, come il nostro Sole, fondono idrogeno ed elio nei loro nuclei, producendo carbonio. Quando muoiono, si trasformano in nane bianche, che sintetizzano altri elementi esplodendo, fondendosi tra loro, e arricchendo lo spazio con calcio e ferro, tra gli altri. Inoltre la fusione tra due stelle di neutroni crea elementi più pesanti del ferro, come rodio, xenon, oro, platino. Sappiamo quindi che le stelle massicce giocano un ruolo fondamentale nella sintesi degli elementi pesanti. Anche se gran parte delle grandi stelle si formano all’interno di sistemi multipli, gli attuali modelli di nucleosintesi stellare si basano su simulazioni riguardanti stelle singole.
Ora un team internazionale di astrofisici ha calcolato la quantità di carbonio prodotta da stelle massicce che hanno perso il loro guscio esterno, all’interno di un sistema binario. “Rispetto a una stella singola, la stella massiccia media in un sistema binario produce una quantità di carbonio due volte maggiore”, afferma Robert Farmer dell’Università di Amsterdam (UvA) e del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) a Garching, Germania, primo autore dello studio. “Fino a tempi recenti, gran parte degli astrofisici non sapevano che le stelle massicce fanno spesso parte di sistemi binari. Per la prima volta noi abbiamo indagato sul modo in cui una stella in un sistema binario può modificare la quantità di elementi prodotti”.
La vera sfida non è capire come viene prodotto il carbonio, ma come fuoriesce dalla stella, prima che venga distrutta. Non è un meccanismo semplice per le stelle singole. Le stelle appartenenti a sistemi binari, invece, posso interagire tra loro e una delle due può trasferire materiale alla sua compagna. La stella che ha perso parte della sua massa sviluppa uno strato ricco di carbonio in superficie, strato che viene espulso quando la stella esplode in supernova. Gli astronomi hanno anche preso in esame altri tipi di stelle capaci di produrre carbonio, come le giganti rosse o le nane bianche esplose. Ma sembra che siano le stelle massicce, in particolare quelle accoppiate, a fornire all’universo la maggior parte del carbonio cosmico. “Le nostre scoperte rappresentano un piccolo, ma significativo passo avanti nella comprensione del ruolo delle stelle massicce nella produzione degli elementi di cui siamo fatti noi stessi”, afferma Eva Laplace, tra gli autori dello studio. “Finora abbiamo esaminato solo un tipo di interazione binaria. Esistono molti altri destini possibili per una stella nata nella vicinanza di una compagna, e molti altri elementi da studiare”. I risultati dello studio rappresentano l’inizio di future indagini sistematiche sull’impatto che la presenza di una compagna può avere sull’arricchimento chimico delle stelle massicce.
Nell’immagine rappresentazione artistica di un massiccio sistema binario
Credit: NASA/C. Reed
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