Grazie all’introduzione di nuovi metodi di calcolo, gli astrofisici Sebastian Ohlmann, Friedrich Röpke, Rüdiger Pakmor e Volker Springel dell’Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) hanno fatto un passo in avanti per realizzare modelli che permettono di descrivere la fase evolutiva dell’inviluppo comune di un sistema binario. Gli scienziati hanno scoperto la presenza di irregolarità idrodinamiche che avvengono durante questa fase e che sono di fondamentale importanza per l’esistenza e l’evoluzione dei sistemi binari. Queste cosiddette “instabilità” influenzano il flusso della materia all’interno dell’inviluppo, modificando la distanza reciproca delle stelle e determinando, ad esempio, la formazione o meno di una supernova e, in tal caso, di che tipo sarà. L’articolo, pubblicato su Astrophysical Journal Letters, è frutto della collaborazione tra due gruppi di ricerca dell’istituto HITS, cioè il gruppo Physics of Stellar Objects (PSO) e il gruppo Theoretical Astrophysics group (TAP). Per realizzare le simulazioni idrodinamiche è stato utilizzato il codice AREPO del professor Volker Springel, adattato per costruire i modelli in modo da risolvere le equazioni di un fluido in moto, aumentando l’accuratezza del modello.
Entrambe le immagini mostrano un momento della simulazione tridimensionale durante la fase dell’inviluppo comune dopo un intervallo di tempo di 105 giorni. Nel piano orbitale (a sinistra) la stella compagna e la gigante rossa stanno orbitando l’una attorno all’altra. L’immagine a destra mostra invece un piano perpendicolare a quello orbitale. Crediti: Sebastian Ohlmann / HITS
Quando osserviamo il cielo di notte, le stelle ci appaiono come piccoli puntini di luce situati a enormi distanze dalla Terra. Tuttavia, le apparenze possono essere spesso ingannevoli. Più della metà delle stelle che conosciamo possiedono una compagna, una seconda stella vicina che può avere un impatto maggiore sulle rispettive stelle principali. L’interazione all’interno dei cosiddetti sistemi stellari binari è particolarmente intensa quando le due stelle entrano in una fase durante la quale esse sono circondante da un inviluppo comune che consiste principalmente di idrogendo ed elio. Rispetto al tempo totale necessario alle stelle per seguire la loro evoluzione, questa fase è relativamente breve, perciò gli astronomi incontrano grandi difficoltà per osservarla e studiarla. Ed è proprio qui che entrano in gioco i modelli teorici basati su una serie di simulazioni numeriche estremamente complesse e potenti. Lo studio di questo fenomeno è importante per comprendere un certo numero di eventi stellari come le supernove.
«In questo lavoro», spiega a Media INAF Laura Greggio dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Padova, «gli autori applicano un codice per la simulazione di fasi idrodinamiche che è stato inizialmente sviluppato per simulazioni cosmologiche ma che, oppurtunamente adattato, riesce a descrivere bene la prima parte della fase di inviluppo comune tra una gigante rossa e un compagno compatto in un sistema binario stretto, che avviene quando la gigante rossa riempie il suo lobo di Roche e comincia ad inglobare il compagno. Segue una fase in cui il compagno spiraleggia all’interno dell’inviluppo comune verso il nucleo compatto della gigante rossa. In questa fase, parte dell’energia orbitale viene trasferita all’inviluppo comune, che alla fine viene disperso nel mezzo interstellare, lasciando un sistema binario di due stelle compatte con una separazione molto minore rispetto a quella di partenza. Sappiamo, però, dalle osservazioni che questo fenomeno avviene, sulla base delle caratteristiche di alcuni sistemi binari. Il sistema binario finale perderà energia per emissione di onde gravitazionali e alla fine le due stelle si fonderanno, possibilmente originando una supernova di tipo Ia. Questo potrà avvenire in un tempo scala minore dell’età dell’Universo solo se la separazione del sistema compatto è minore di pochi raggi solari».
«Come altri calcoli teorici», continua Laura Greggio, «in questo lavoro gli autori non arrivano a produrre un sistema finale che abbia espulso l’intero inviluppo che consiste di una coppia di oggetti compatti abbastanza stretti come alcune osservazioni richiedono, ma rivelano l’esistenza di un fenomeno che, incluso nella descrizione di questa fase in modelli più complessi, può portare a risultati sostanzialmente diversi sui tempi lunghi. Si tratta di un fenomeno di instabilità convettive che sembrano verificarsi in vaste zone dell’inviluppo comune e che influenzano la modalità di trasporto dell’energia. Futuri studi che includano questo fenomeno permetteranno una migliore associazione dei risultati idrodinamici all’evoluzione stellare in sistemi binari compatti».
«In funzione di come appare inizialmente il sistema formato dall’inviluppo comune, nel periodo evolutivo successivo possono accadere tutta una serie di fenomeni diversi, come ad esempio le supernove termonucleari», spiega Ohlmann del gruppo PSO e autore principale dello studio. I ricercatori stanno esplorando le fasi delle esplosioni stellari, che sono tra gli eventi più luminosi dell’Universo, in grado di illuminare un’intera galassia. Ma la costruzione dei modelli di tali sistemi che portano alle esplosioni stellari dipende dalle principali incertezze che descrivono la fase dell’inviluppo comune. Uno dei motivi è legato al fatto che il nucleo della gigante rossa risulta 1000-10000 volte più piccolo dell’inviluppo, perciò le differenze di scala spaziale e temporale complicano il processo della simulazione e rendono necessarie l’introduzione di approssimazioni.
Insomma, si tratta di un lavoro dettagliato e di prospettiva, e le simulazioni stesse realizzate dagli scienziati di Heidelberg, metodicamente innovative, rappresentano comunque un primo passo verso una migliore comprensione della fase del cosiddetto inviluppo comune.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint su arXiv: Hydrodynamic moving-mesh simulations of the common envelope phase in binary stellar systems
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