Una autopsia stellare

Gli astrofisici ritengono che le fasi finali dell’evoluzione di stelle massive producano esplosioni asimmetriche causate dal collasso gravitazionale del nucleo di ferro. Tuttavia, i dettagli di queste fasi catastrofiche rimangono ancora incerte poiché non è immediato esplorare gli interni stellari. Oggi, due ricercatori, Dan Milisavljevic dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e Robert A. Fesen del Department of Physics and Astronomy, Dartmouth College, Hanover, presentano in un articolo pubblicato su Science nuovi dati di Cassiopeia A, il residuo finale di una supernova di tipo IIb, e una mappatura tridimensionale degli strati espulsi più interni. I risultati indicano la presenza di una struttura a forma di “bolle” che si connette in maniera continua con le varie strutture a forma di “anello” osservate nell’inviluppo principale brillante composto dai detriti in espansione. Secondo gli scienziati, questa struttura interna può anche originarsi dai processi di turbolenza che determinano la fuoriuscita di materiale composto essenzialmente da nichel radioattivo (56Ni). Se ciò è vero, potrebbero ancora esistere nelle regioni più interne del resto di supernova quantità sostanziali del suo prodotto di decadimento, cioè ferro 56Fe.

Quando gli astronomi realizzano le simulazioni del collasso gravitazionale di un nucleo ricco di ferro, ad esempio nel caso di una stella supermassiccia che produce alla fine una stella di neutroni, si nota l’emissione di un’onda d’urto che non è in grado di bloccare il processo di formazione di una supernova (in condizioni di simmetria sferica). Ciò è dovuto al fatto che l’onda d’urto emergente è troppo debole per opporsi al collasso degli strati più esterni della stella perciò si ferma (come se “prendesse tempo” dopo il rimbalzo). Tuttavia, i dati osservativi suggeriscono che le eventuali asimmetrie che emergono a seguito di un’esplosione stellare, che sono dovute sostanzialmente alle instabilità dinamiche e alla rotazione dei campi magnetici, devono altrettanto concorrere al processo del collasso gravitazionale del nucleo, anche se i rispettivi contributi sono ancora incerti.

Alcuni aspetti dei processi associati a queste esplosioni stellari sono stati studiati con successo grazie alle osservazioni delle supernovae extragalattiche. Tuttavia, persino con il telescopio spaziale Hubble questi oggetti distanti appaiono puntiformi, il che non permette agli astronomi di risolvere la loro struttura tridimensionale degli strati in espansione da cui si potrebbero ricavare importanti indizi sul meccanismo dell’esplosione. Un approccio alternativo per lo studio di questi fenomeni violenti è quello di studiare i cosiddetti resti di supernovae nella nostra galassia in quanto si tratta di oggetti ancora giovani, e quindi in espansione libera, e abbastanza vicini per cui è possibile realizzare osservazioni più dettagliate degli inviluppi costituiti dal materiale espulso. Queste ricerche possono fornire agli astronomi alcune indicazioni sulla composizione chimica dell’oggetto (il progenitore), da cui si formerà in seguito la supernova, e sul destino del prodotto finale dell’esplosione stellare (il nucleo).

Cassiopeia A (Cas A), un resto di supernova giovane situato a soli 11.000 anni luce nella costellazione di Cassiopeia, ha una età di 340 anni ed è la radiosorgente più brillante del cielo a frequenze superiori a 1 GHz. Si tratta del prodotto di una supernova di tipo IIb e rappresenta uno dei migliori test su cui gli astronomi possono eseguire una sorta di “autopsia stellare”. L’oggetto è oggi visibile grazie all’emissione di radiazione causata da un’onda d’urto riflessa che si è originata quando l’esplosione iniziale della supernova, avvenuta a velocità spaventose, venne spazzata nel mezzo interstellare circostante. I suoi detriti ricchi di metallo sono distribuiti lungo strutture a forma di anello e formano un inviluppo quasi sferico (inviluppo principale) che si estende approssimativamente per circa 12 anni luce, espandendosi con una velocità complessiva i cui valori cadono nell’intervallo che va da -4000 a +6000 Km/sec. Queste e molte altre proprietà di Cas A, come ad esempio la presenza di due flussi di silicio (Si) e zolfo (S) (si diramano in direzioni opposte e sono separati di circa 40° e si osservano nelle regioni a nord-est e a sud-ovest propagandosi con velocità fino a circa 15.000 Km/sec), e un’espansione irregolare della fotosfera generata all’epoca dell’esplosione, puntano tutte ad una esplosione stellare asimmetrica.

Dunque, per poter studiare eventuali asimmetrie presenti nelle regioni più interne di Cas A, Milisavljevic e Fesen hanno realizzato tra il 2011 e il 2013 una serie di spettri nel vicino-infrarosso, utilizzando il telescopio di 4m Mayall presso il Kitt Peak National Observatory, assieme ad alcuni particolari accorgimenti tecnici in modo da rivelare l’emissione degli strati di zolfo. I dati sono stati successivamente trasformati in un sistema di coordinate 3D e incorporati in un modello già esistente dell’emissione ottica relativa all’inviluppo primario e alle varie strutture più esterne a forma di grumi e filamenti (vedasi modello 3D). Le osservazioni indicano che l’emissione della riga [S III] (a 906.9 nm e a 953.1 nm) appare diffusa, in netto contrasto con gli strati dell’inviluppo principale che invece appaiono compresse in piccole strutture a forma di grumi e filamenti causati dall’onda d’urto riflessa. La maggior parte di questi strati presentano una struttura coerente dalla forma di “enormi cavità”, o “bolle”, che sembrano essere fisicamente connesse alle strutture ad anello dell’inviluppo principale.

In particolare, si notano almeno due cavità ben definite. Una, verso sud-est, si propaga nella direzione dell’osservatore, appena sotto quello che è approssimativamente considerato il centro del resto di supernova, e si connette in maniera continua con una coppia di filamenti curvi e brillanti, noti come “Parentesi”. Nella parte opposta, cioè in direzione nord-ovest, in allontanamento dall’osservatore e immediatamente sotto l’anello dell’inviluppo maggiore del resto di supernova, si osserva la cavità maggiore interna. Queste due strutture si intersecano con una regione di emissione centrale che parte dalla regione anteriore e si propaga verso quella posteriore. La cavità più grande, a nord, domina il volume interno di Cas A è ha un raggio di circa 3 anni luce, mentre quella a sud-est si estende nello spazio di circa la metà. Entrambe le cavità esibiscono delle strutture a forma di grumi e filamenti ricchi di zolfo, il che suggerisce che nessuna di esse sia completamente vuota di materiale espulso a seguito dell’esplosione stellare.

Nonostante sia complicato determinare con precisione il numero totale di queste strutture cave, le dimensioni degli anelli dell’inviluppo principale sono confrontabili con quelle delle cavità, il che implica che sono uguali in numero (circa 6). Queste proprietà, unite al fatto che gli anelli dell’inviluppo principale si estendono radialmente verso l’esterno lungo traiettorie leggermente inclinate, seguendo la circonferenza delle cavità, avvalorano l’ipotesi secondo cui sia le strutture anulari prodotte dall’onda d’urto riflessa che le strutture a forma di bolle hanno una origine comune.

Comunque sia, la struttura interna (a forma di bolle) e quella delle regioni più esterne (a forma di anelli) dell’inviluppo principale suggeriscono che la distribuzione del materiale su larga scala abbia influenzato la disposizione globale degli strati espulsi durante il collasso gravitazionale del nucleo stellare, nonostante al momento non siano ancora chiare le modalità dei meccanismi coinvolti. Tuttavia, gli astrofisici hanno proposto una serie di processi dinamici che potrebbero contribuire alla ridistribuzione degli strati chimici tra cui, ad esempio, la presenza di effetti magnetorotazionali asimmetrici e delle instabilità di Rayleigh-Taylor e Kelvin-Helmholtz. Inoltre, secondo gli autori, la presenza di asimmetrie prodotte dagli strati turbolenti più interni dell’oggetto progenitore, sommate a quelle dovute al meccanismo di esplosione stellare, potrebbero contribuire decisamente alla morfologia osservata nel resto di supernova Cas A.

I dati presentati da Milisavljevic e Fesen fanno chiarezza sul fatto che la struttura dominante di Cas A si presenta nella forma di enormi cavità interne le cui sezioni trasversali sono rappresentate dagli anelli ben visibili riscaldati dall’onda d’urto riflessa dell’inviluppo principale. Quello che non è ancora chiaro è perché si osservano solo 6 bolle. Un test cruciale sull’origine di queste strutture cave potrebbe emergere dalla conferma della “mancanza” di ferro che, invece, i modelli predicono debba esistere nelle regioni più interne del resto di supernova. Certamente, non si potranno trarre delle conclusioni definitive fino a quando non saranno pronti i telescopi spaziali di nuova generazione, in particolare quelli che opereranno nell’infrarosso e nella banda X.

Infine, dato che Cas A mostra numerose caratteristiche simili a quelle di supernovae vecchie e giovani, le sue proprietà dinamiche descritte dagli autori non sono probabilmente uniche e perciò potranno essere utilizzate in generale dagli astronomi per descrivere altre esplosioni stellari, e di conseguenza anche i resti di supernovae, che non possono essere risolti direttamente dagli strumenti.

---

Science: D. Milisavljevic & R. A. Fesen – The bubble-like interior of the core-collapse supernova remnant Cassiopeia A