Come indovinare l’età delle stelle giganti

Anche fra gli astri, come tra noi umani, ci sono individui per i quali è davvero difficile riuscire a indovinare quanti anni hanno. Nel caso delle stelle, quelle che meglio eludono i tentativi di stabilirne l’età sono le cosiddette “stelle di campo”: stelle solitarie, che non appartengono ad alcun ammasso. Un sistema in realtà c’è: l’anzianità di una stella si può intuire attraverso il diagramma Hertzprung-Russell, andando a vedere dove la stella si colloca in base al suo colore e alla sua magnitudine assoluta – caratteristiche, queste, legate anche all’età. Ma è un approccio non sempre affidabile, che porta a risultati alquanto insoddisfacenti per una classe di stelle in particolare: quelle giganti.

Per gli astronomi questo è un problema, perché il numero di anni trascorsi dalla nascita delle stelle è un parametro fondamentale per comprendere i meccanismi di formazione ed evoluzione della Via Lattea. Come fare? I progressi raggiunti negli ultimi anni con i telescopi spaziali – grazie alle missioni Gaia dell’Esa e Kepler della Nasa – e con le grandi survey spettroscopiche da terra hanno aperto un’altra strada per risalire all’età delle stelle: l’analisi delle abbondanze chimiche. Il rapporto fra le abbondanze di alcuni particolari elementi – quanto ce n’è di uno rispetto all’altro – varia in modo abbastanza prevedibile nel corso della vita di una stella, e può dunque essere impiegato come una sorta di “orologio cosmico”.

Grazie all’eccellente qualità e statistica dei dati ottenuti dalla grande survey spettroscopica Gaia-Eso – compiuta con il telescopio Vlt dell’Eso e coordinata dall’attuale direttrice dell’Inaf di Arcetri Sofia Randich e da Gerry Gilmore dell’Università di Cambridge – e dalla survey Apogee, un team internazionale di ricercatori è ora riuscito per la prima volta a misurare il rapporto fra due di questi elementi adatti a tracciare l’età di una stella – il carbonio (C) e l’azoto (N) – in un grande campione di stelle evolute appartenenti ad ammassi aperti della nostra galassia. E da queste misure è poi stato possibile ricavare una relazione affidabile fra rapporto [C/N] e l’età delle stelle – relazione applicabile anche a stelle di campo, non appartenenti ad alcun ammasso, giganti solitarie comprese.

«Il rapporto [C/N] risulta modificato nella fase di gigante rispetto alla composizione iniziale della stella», spiega a Media Inaf Laura Magrini dell’Inaf di Arcetri, che insieme alla sua studentessa di dottorato Giada Casali ha guidato lo studio, «e tale variazione dipende dalla massa stellare. Poiché età e massa sono direttamente correlate per stelle nella stessa fase evolutiva, il rapporto [C/N] può essere usato per stimare l’età stellare. La misura del rapporto [C/N] nelle stelle che fanno parte degli ammassi stellari è di fondamentale importanza, perché l’età di questi può essere misurata con una precisione molto più elevata di quella delle stelle di campo. Infatti, le osservazioni delle molte stelle appartenenti allo stesso ammasso ci permettono di campionare la sua sequenza e quindi di determinarne, confrontando con modelli teorici, l’età. Gli ammassi pertanto, possono essere utilizzati come calibratori per identificare le relazioni tra età e altre proprietà stellari, fra cui i rapporti di abbondanze. Utilizzando perciò l’età di un campione di 38 ammassi determinate dal confronto con le isocrone, è stata definita una relazione tra le età e il rapporto [C/N]».

«Applicando la nostra relazione a stelle di campo giganti presenti nelle survey Gaia-Eso e Apogee», conclude la prima autrice dello studio in uscita su Astronomy & Astrophysics, Giada Casali, dottoranda all’università di Firenze e associata Inaf, «troviamo una buona separazione in età tra disco sottile e spesso, con una tendenza crescente con l’età verso popolazioni a bassa metallicità. Con questa relazione empirica, siamo quindi in grado di fornire uno strumento aggiuntivo alla tecnica più comunemente usata del confronto delle posizioni di modelli teorici di evoluzione stellare con quelle delle stelle su piani teorici o osservativi, cosi da fornire una stima indipendente dell’età delle stelle giganti».

Per saperne di più:

• Leggi il preprint dell’articolo in uscita su Astronomy & Astrophysics “The Gaia-ESO survey: Calibrating a relationship between Age and the [C/N] abundance ratio with open clusters”, di G. Casali, L. Magrini, E. Tognelli, R. Jackson, R. D. Jeffries, N. Lagarde, G. Tautvaisiene, T. Masseron, S. Degl’Innocenti, P. G. Prada Moroni, G. Kordopatis, E. Pancino, S. Randich, S. Feltzing, C. Sahlholdt, L. Spina, E. Friel, V. Roccatagliata, N. Sanna, A. Bragaglia, A. Drazdauskas, S. Mikolaitis, R. Minkeviciute, E. Stonkute, Y. Chorniy, V. Bagdonas, F. Jimenez-Esteban, S. Martell, M. Van der Swaelmen, G. Gilmore, A. Vallenari, T. Bensby, S. E. Koposov, A. Korn, C. Worley, R. Smiljanic, M. Bergemann, G. Carraro, F. Damiani, L. Prisinzano, R. Bonito, E. Franciosini, A. Gonneau, A. Hourihane, P. Jofre, J. Lewis, L. Morbidelli, G. Sacco, S. G. Sousa, S. Zaggia, A. C. Lanzafame, U. Heiter, A. Frasca e A. Bayo