Fotogramma di una simulazione 3D (clicca per vedere l’animazione) che mostra come la convezione turbolenta nel nucleo di una grande stella può generare onde che si spingono verso l’esterno e generano vibrazioni risonanti vicino alla superficie della stella stessa. Studiando i cambiamenti nella luminosità della stella causati dalle vibrazioni, gli scienziati possono capire meglio i processi che avvengono nel cuore delle grandi stelle. Crediti: E.H. Anders et al. / Nature Astronomy 2023
Twinkle twinkle little star, how I wonder what you are. Up above the world so high, like a diamond in the sky. Chi non conosce questa dolcissima ninna nanna, che culla i bambini facendoli addormentare protetti da una piccola stellina scintillante? Uno studio pubblicato il 27 luglio su Nature Astronomy parla anche di lei, della ninna nanna, e di come sia stata usata per testare la propagazione delle onde sonore all’interno di stelle – non così piccole come la protagonista del brano – e per dimostrare come queste, alla fine, scintillino.
Autori dello studio in questione sono un gruppo di astrofisici guidati dal Flatiron Institute e dalla Northwestern University che ha sviluppato simulazioni al computer uniche nel loro genere che mostrano come l’agitazione del plasma nelle viscere di una stella può causare lo sfarfallio della luce emessa dalla stella stessa. Ovviamente, questo effetto è ben diverso dal luccichio visibile delle stelle nel cielo notturno, causato dall’atmosfera terrestre.
Nell’articolo, gli scienziati spiegano come un giorno potrebbe essere possibile capire ciò che accade all’interno di stelle più grandi del Sole, osservando lo scintillio della loro luce e utilizzando simulazioni di questo tipo. Gli effetti sono troppo piccoli per essere rilevati dagli attuali telescopi, spiega il coautore Matteo Cantiello, ricercatore presso il Center for Computational Astrophysics (Cca) del Flatiron Institute di New York City, laureatosi all’Università di Pisa. Ma in futuro potrebbe non essere così, grazie all’impiego di telescopi avanzati: «Saremo in grado di vedere la firma del nucleo», dice Cantiello, «che sarà piuttosto interessante perché sarà un modo per sondare le regioni più interne delle stelle».
Visualizzazione dei flussi in un taglio equatoriale di una stella. Crediti: E.H. Anders et al./Nature Astronomy 2023
«Una migliore comprensione delle viscere stellari aiuterà gli astronomi a capire come si formano ed evolvono le stelle, come si assemblano le galassie e come vengono creati elementi pesanti come l’ossigeno che respiriamo», afferma Evan Anders della Northwestern University, primo autore dello studio. «I movimenti nei nuclei delle stelle generano onde come quelle dell’oceano», continua Anders. «Quando le onde arrivano sulla superficie della stella, la fanno brillare in un modo che gli astronomi possono essere in grado di osservare. Per la prima volta, abbiamo sviluppato modelli computerizzati che ci consentono di determinare quanto una stella dovrebbe brillare in seguito a queste onde. Questo lavoro consentirà ai futuri telescopi spaziali di sondare le regioni centrali dove le stelle forgiano gli elementi da cui dipendiamo per vivere e respirare».
Le nuove simulazioni contribuiscono anche ad alimentare un “mistero stellare” di lunga data, quello legato al cosiddetto rumore rosso osservato nelle stelle più calde e massicce: pulsazioni ancora inspiegate che causano fluttuazioni nella loro luminosità. Si riteneva che una possibile spiegazione potesse risiedere nella convezione nei loro nuclei, in grado di provocare lo sfarfallio, ma le nuove simulazioni mostrano che uno sfarfallio indotto dalla convezione del nucleo sarebbe troppo debole per corrispondere al rumore rosso osservato.
Matteo Cantiello, astrofisico del Center for Computational Astrophysics (Flatiron Institute, a New York City), qui nell’ufficio di Kip Thorne, al Caltech. Crediti: M. Cantiello (https://www.stellarphysics.org)
La convezione di una stella è alimentata dal reattore nucleare al suo interno. Nel cuore della stella, un’intensa pressione comprime insieme gli atomi di idrogeno per formare atomi di elio, rilasciando un po’ di energia in eccesso. Quell’energia genera calore, che fa salire bolle di plasma come accade in una lava lamp. Ma a differenza di una lava lamp, la convezione è turbolenta, come accade in una pentola di acqua bollente. Questo movimento genera onde proprio come quelle che si trovano negli oceani della Terra. Quelle onde poi si increspano verso l’esterno, verso la superficie della stella, dove comprimono e decomprimono il plasma della stella stessa, provocando l’aumento e l’attenuazione della sua luce. Studiando la luminosità di una stella, gli scienziati si sono resi conto che potrebbero essere in grado di capire cosa sta succedendo nel suo nucleo.
Tuttavia, spiega Cantiello, simulare la generazione e la propagazione delle onde al computer è molto difficile. Questo perché se un flusso che genera onde nel nucleo della stella dura alcune settimane, le onde generate possono persistere per centinaia di migliaia di anni. Riuscire a trovare una correlazione su tempi così diversi – settimane e centinaia di millenni – ha sempre rappresentato una grande sfida.
I ricercatori si sono ispirati a una diversa forma di onde: le onde sonore che compongono la musica. Si sono resi conto che la generazione delle onde indotte dalla convezione nel nucleo potrebbe essere assimilabile a ciò che accade in una sala da concerto quando un gruppo di musicisti inizia a suonare. I musicisti, ognuno con il proprio strumento, producono suoni che vengono alterati dalle multiple riflessioni all’interno del locale. I ricercatori hanno scoperto di essere in grado di risalire al brano musicale originale, invariato rispetto alle alterazioni indotte dalla stanza, e quindi – tornando all’analogo stellare – di applicare un filtro in grado di riprodurre le proprietà acustiche della stella. Di fatto è un processo simile a quello che può compiere un tecnico del suono professionista.
I ricercatori hanno testato il loro metodo utilizzando alcuni brani musicali, tra cui Jupiter della suite The Planets, scritta dal compositore inglese Gustav Holst, e la ninna nanna da cui siano partiti, Twinkle, Twinkle, Little Star. Hanno simulato il modo in cui le onde sonore dei brani musicali “rimbalzerebbero” all’interno di stelle di diverse dimensioni, producendo i risultati che potete ascoltare in questa pagina.
Questa è la clip tratta dalla suite The Planets, inalterata rispetto all’originale:
E questa è la stessa clip alterata utilizzando un filtro che replica come le onde si muovono attraverso stelle (dall’alto) di 3, 15 e 40 volte la massa del Sole:
Dopo la convalida del loro approccio, hanno simulato le onde indotte dalla convezione e le conseguenti fluttuazioni nella luce di stelle di massa pari a 3, 15 e 40 volte quella del Sole. Per tutte e tre le dimensioni, la convezione del nucleo ha effettivamente causato lo sfarfallio dell’intensità della luce vicino alla superficie, ma non alle frequenze o intensità caratteristiche del rumore rosso che gli astronomi avevano riscontrato.
Qui potete ascoltare una rappresentazione audio delle onde di superficie generate dalla convezione del nucleo all’interno di una stella 40 volte la massa del Sole, dove il battito ritmico delle onde provoca lo sfarfallio della luce della stella:
La convezione potrebbe ancora essere responsabile del rumore rosso, dice Cantiello, ma sarebbe probabilmente molto più vicina alla superficie della stella e quindi meno indicativa di ciò che sta accadendo nelle sue profondità.
I ricercatori stanno ora migliorando le loro simulazioni per considerare effetti aggiuntivi, come la rapida rotazione di una stella attorno al proprio asse, una caratteristica comune delle stelle più massicce del Sole. Sono curiosi di sapere se le stelle in rapida rotazione hanno uno sfarfallio abbastanza forte indotto dalla convezione del nucleo da poter essere rilevato dai telescopi attuali. «È una domanda interessante a cui speriamo di ottenere una risposta», conclude Cantiello.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “The photometric variability of massive stars due to gravity waves excited by core convection” di Evan H. Anders, Daniel Lecoanet, Matteo Cantiello, Keaton J. Burns, Benjamin A. Hyatt, Emma Kaufman, Richard H. D. Townsend, Benjamin P. Brown, Geoffrey M. Vasil, Jeffrey S. Oishi & Adam S. Jermyn