Un collage colorato di coppie binarie vicino alla Terra, per gentile concessione della survey Gaia. Crediti: Esa/Gaia/Dpac
Per la prima volta, grazie agli ultimi dati di Gaia, gli astronomi hanno creato un enorme catalogo 3D contenente 1.3 milioni di stelle binarie, a distanze non superiori a 3000 anni luce dalla Terra. Questo catalogo, unico nel suo genere, è stato realizzato da Kareem El-Badry dell’Università della California, Berkeley, e rappresenta un grande vantaggio per tutti coloro che studiano e studieranno le stelle binarie – che costituiscono almeno la metà di tutte le stelle simili al Sole – le nane bianche, gli esopianeti e l’evoluzione stellare, in generale. Prima di Gaia, l’ultima raccolta di stelle binarie vicine, messa insieme utilizzando i dati di Hipparcos, ormai in pensione, includeva circa 200 probabili coppie. Questo nuovo catalogo di stelle binarie è stato pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Nel catalogo sono presenti 17mila nane bianche, che rappresentano gli stadi finali della vita della maggior parte delle stelle. Probabilmente, anche il Sole terminerà i suoi giorni come nana bianca, tra 5 miliardi di anni. L’atlante di El-Badry include 1400 sistemi costituiti da due nane bianche e 16mila binarie costituite da una nana bianca e un altro tipo di stella. Tuttavia, la stragrande maggioranza dei 2.6 milioni di stelle è ancora “nel fiore” degli anni. Gli astronomi si riferiscono a stelle di questo tipo come stelle di sequenza principale, perché si raggruppano lungo una linea ben definita e particolarmente pronunciata quando vengono tracciate su un grafico che mostra la temperatura rispetto alla luminosità – il diagramma di Hertzsprung-Russell.
Con una dimensione del campione così ampia, è possibile fare statistiche demografiche sulla popolazione delle binarie, per capire quale sia la distribuzione dei rapporti di massa delle due stelle e come sono distribuite le loro separazioni o l’eccentricità.
El-Badry è particolarmente interessato ai sistemi binari di nane bianche, perché a questo tipo di stelle può essere assegnata un’età in modo più preciso rispetto a quanto si riesca a fare per le stelle normali. Le stelle della sequenza principale, come il Sole, possono avere lo stesso aspetto per miliardi, o anche decine di miliardi di anni, mentre le nane bianche cambiano più rapidamente, raffreddandosi a una velocità ben definita. Poiché le coppie di stelle facenti parte di un sistema binario nascono nello stesso momento, l’età della nana bianca dice agli astronomi l’età della sua gemella di sequenza principale, o di qualsiasi pianeta si trovi attorno alle stelle. Inoltre, poiché le nane bianche hanno una relazione massa-raggio ben definita, è possibile facilmente misurare la loro massa.
A titolo di esempio, El-Badry e colleghi hanno recentemente utilizzato i dati di Gaia per stimare l’età di un gigante gassoso delle dimensioni di Giove scoperto dal satellite Tess attorno a una coppia di nane bianche di tipo K. L’esopianeta – chiamato Toi-1259Ab – in base all’età della nana bianca, si è rivelato avere circa 4 miliardi di anni. «In questo catalogo, ci sono qualcosa come 15 sistemi come questo: stella più pianeta più nana bianca», spiega El-Badry «e ce ne sono altre poche centinaia del tipo stella più pianeta più un’altra stella. Anche quelli sono potenzialmente interessanti perché, in alcuni casi, l’altra stella influenza la dinamica del pianeta».
Quando le stelle vengono poste in un grafico cartesiano colore-luminosità, cadono lungo una linea chiamata sequenza principale, dove trascorrono la maggior parte della loro vita, evolvendo in giganti rosse e nane bianche solo al termine. La precedente indagine sulle stelle binarie vicine ne aveva trovate diverse centinaia, mentre questo catalogo contiene ben 1.3 milioni di coppie di stelle, permettendo agli astronomi di comprendere meglio l’evoluzione delle stelle binarie, e delle stelle in generale. Crediti: Kareem El-Badry, UC Berkeley
Fino a quando Gaia è stata lanciata dall’Agenzia spaziale europea nel 2013 – per misurare con precisione le distanze e i movimenti di milioni di stelle vicine – l’unico modo per trovare le binarie era cercare stelle tra loro vicine, nel cielo. Ma le stelle che in cielo appaiono molto vicine, potrebbero essere a centinaia o migliaia di anni luce l’una dall’altra, trovandosi semplicemente lungo la stessa linea di vista.
Escludere un allineamento casuale richiede molto tempo di osservazione, per confermare che i due candidati sono effettivamente alla stessa distanza e si muovono insieme. A causa del movimento della Terra intorno al Sole, le stelle vicine sembrano cambiare posizione nel cielo e la parallasse può essere utilizzata per calcolare quanto sono lontane le stelle. Il movimento della stella nel cielo, noto come moto proprio, aiuta a determinarne la velocità.
Gaia conduce analisi astrometriche continuamente, per tutte le stelle che appaiono vicine nel cielo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, dalla sua orbita attorno al secondo punto lagrangiano del sistema Sole-Terra. Tuttavia, la sua indagine è particolarmente utile per le stelle entro circa 3000 anni luce dalla Terra, perché la parallasse è solitamente troppo piccola per essere misurata.
Dopo la seconda data release di Gaia nel 2018, El-Badry ha cercato per la prima volta le stelle binarie in questi dati, con l’aiuto dei colleghi Hans-Walter Rix, direttore del Max-Planck Institute for Astronomy a Heidelberg, in Germania, e Tyler Heintz, della Boston University. Per farlo, hanno sviluppato tecniche computazionali per identificare le stelle che si muovono insieme nello spazio e che sono alla stessa distanza dalla Terra. La tecnica fondamentalmente proietta il movimento di ogni stella per migliaia di anni, in base al suo movimento di oggi, ed estrae le stelle che si muovono nella stessa direzione. Se anche loro risultano essere alla stessa distanza in base alla parallasse, probabilmente sono legate l’una all’altra.
Loro si sono concentrati soprattutto sulle binarie larghe – quelle separate da una distanza di 10 unità astronomiche o più – cioè 10 o più volte la distanza tra la Terra e il Sole. Le stelle più vicine in genere appaiono come un unico punto luminoso (si dice che non sono risolte) e richiedono altre tecniche spettroscopiche per distinguere se sono vere binarie.
«Circa la metà di tutte le stelle simili al Sole sono binarie, molte delle quali troppo vicine per essere distinte, ma troviamo che circa il 25 per cento di tutte le stelle simili al Sole ha un compagno binario a separazioni di oltre 30 unità astronomiche, circa la distanza da Plutone» spiega El-Badry. «La distribuzione raggiunge i picchi con una separazione di 30 o 50 unità astronomiche». Alcune coppie sono separate da un parsec – 260mila unità astronomiche o 3.26 anni luce – sebbene la maggior parte si trovi entro 1000 unità astronomiche l’una dall’altra.
Una conclusione importante alla quale sono arrivati è che la nuova analisi conferma ciò che era stato intuito dai dati del 2018: molte coppie di stelle binarie hanno una massa molto simile. «Ai sistemi binari piace essere gemelli identici», riferisce El-Badry. «Questo è davvero strano, perché la maggior parte di queste stelle sono separate da centinaia o migliaia di unità astronomiche, quindi sono così distanti che, secondo le teorie convenzionali sulla formazione stellare, le loro masse dovrebbero essere casuali. Ma i dati raccontano una storia diversa: è come se sapessero qualcosa delle masse dei loro compagni». Una possibile spiegazione è che si siano formate molto più vicine tra loro, in un processo che tende a equalizzare le loro masse, e poi si sono allontanate, forse a causa delle interazioni con altre stelle vicine.
La compilazione del catalogo di stelle binarie ha anche permesso a El-Badry di controllare le incertezze riportate nelle misurazioni di Gaia delle posizioni stellari, che può rivelarsi d’aiuto per altri ricercatori che utilizzano tali dati.
Il primo autore ha inoltre collaborato con Jackie Faherty, scienziata ed educatrice presso l’American Museum of Natural History di New York City, per creare un video di tutte le stelle binarie intorno alla Terra, che rappresenta una buona parte dell’intera Via Lattea.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “A million binaries from Gaia eDR3: sample selection and validation of Gaia parallax uncertainties” di Kareem El-Badry, Hans-Walter Rix e Tyler M Heintz
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