I resti dei più antichi oggetti planetari

Due nane bianche ne conservano i segni nelle loro atmosfere

Rappresentazione artistica delle due nane bianche e le tracce di detriti planetari scoperti nelle loro atmosfere. (Università di Warwick)

Il destino ultimo per stelle sino a circa 8 masse solari è di diventare nane bianche, cioè il nucleo inerte che si è liberato degli strati esterni superato lo stadio evolutivo di gigante rossa. Anche tale processo è strettamente legato alla massa iniziale della stella, con quelle più massicce che evolvono prima e più velocemente rispetto a quelle di massa minore. È stato calcolato che vecchie stelle poco massicce di Popolazione II stiano ancora bruciando idrogeno in elio nella Sequenza Principale, mentre quelle di massa maggiore del Sole sono nel frattempo diventate nane bianche.

Un lentissimo raffreddamento

Tutte le nane bianche, inizialmente caldissime, tendono a raffreddarsi progressivamente per irraggiamento e sono destinate a diventare una “nana nera”, vale a dire un oggetto che non emette più luce visibile e completamente inerte. Nessuna nana nera è stata mai osservata perché il processo di raffreddamento è lentissimo e dura molti miliardi di anni, più dell’età stessa dell’Universo. Pur lentissimo, il raffreddamento nelle nane bianche è osservato e utilizzato come criterio per stabilirne l’età. Quelle più vecchie manifestano temperature effettive con picchi osservabili nella regione visibile e nel vicino ultravioletto. Anzi, l’indice di colore g-z è ampiamente usato per rappresentarle nei diagrammi colore-magnitudine (CMD) che, anche per le nane bianche, è uno strumento fondamentale per il loro studio insieme alla spettroscopia.

Che cosa succede ai pianeti?

Quelle con alto indice g-z sono dette nane bianche ultra-fredde DZ e sono collocate nella regione bassa del diagramma HR (HRD). Sono oggetti attivamente cercati dagli specialisti perché rappresentativi delle prime stelle e offrono uno spaccato sul destino ultimo del Sole e dei suoi pianeti. Non è, infatti, ben chiaro cosa accada ai pianeti rocciosi quando una stella diventa una gigante rossa. Le osservazioni indicano che almeno quelli più vicini siano inglobati e consumati, mentre quelli più distanti ridotti a detriti, forse in conseguenza di catastrofici scontri conseguenti a rapide migrazioni dalle orbite originarie. I detriti in orbita tenderanno a cadere sulla nana bianca inquinandone lo spettro.

I diagrammi Hertzsprung-Russell che riportano le nane bianche utilizzate nello studio. Come si evince, WD J2147-4035 e WD J1922+0233 occupano posizioni nella regione bassa del grafico. [Tratto da A. K. Elms et al. 2022]

La ricerca delle nane bianche ultra-fredde

Un gruppo di astronomi ha intrapreso la sistematica ricerca di nane bianche ultra-fredde DZ, trovando un certo numero di candidate nei dati di Gaia EDR3. Nello specifico, due di esse, catalogate come WD J2147-4035 e WD J1922+0233, esibiscono caratteristiche spettroscopiche e fotometriche davvero interessanti.

Queste due stelle occupano posizioni insolite nel HRD rispetto al campione entro 100 parsec dal Sole nello stesso sottogruppo DZ freddo. WD J2147-4035 esibisce un indice di colore più alto, presentandosi “più rossa” poiché sembra avere un contenuto d’idrogeno atmosferico quasi nullo rispetto a WD J1922+0233. Al contrario, WD J1922+0233 mostra colori insolitamente “più blu” per un’ultra-fredda rispetto ad altre nane bianche di magnitudine simile nella fotometria PanSTARRS e Gaia EDR3.

Secondo gli astronomi tale comportamento è riconducibile a una maggiore o minore quantità d’inquinanti che provoca opacizzazione nelle rispettive atmosfere. L’indice di colore più blu indica quindi una maggiore quantità di tali materiali che sopprime il flusso visibile e infrarosso. Gli inquinanti devono essere caduti sulle nane bianche che, ricordiamo, hanno dimensioni comparabili con la Terra.

I dati sono stati confrontati con i modelli per trovare la migliore corrispondenza con la fotometria e spettroscopia di WD J2147−4035 e WD J1922+0233. Sono state determinate temperature effettive, rispettivamente, di circa 3000 e 3300K, tanto da farne tra le più fredde nane bianche DZ a oggi conosciute.

WD J2147-4035 è anche la nana bianca intrinsecamente più debole nel visibile tra i 40 candidati trovati nei dati di Gaia.

Due nane bianche vecchissime

L’età di raffreddamento di WD J1922+0233 è 9,05 miliardi di anni, quindi si è trasformata in nana bianca quando l’Universo aveva appena un terzo dell’età attuale.  WD J2147−4035 è risultata ancora più vecchia, con un’età di 10,21 miliardi di anni, la maggiore per una nana bianca inquinata da metalli. L’età di raffreddamento non ci dice a quanto ammonti quella complessiva dell’oggetto, infatti all’età di raffreddamento dobbiamo aggiungere il tempo trascorso nella Sequenza Principale. Per stabilire l’età complessiva bisogna procedere per ipotesi ragionevoli.

Entrambe le nane bianche sono di Popolazione II, vale a dire nate dalle ceneri delle primissime stelle di Popolazione III, altrimenti non avrebbero avuto gli inquinanti. Secondo le stime attuali, queste stelle risalgono a circa 12 miliardi di anni e ne osserviamo in quantità negli ammassi globulari. Tuttavia i progenitori delle nane bianche hanno impiegato poco tempo per evolvere, perciò erano di “fascia alta” come massa iniziale.

La cinematica suggerisce per entrambe l’appartenenza al disco galattico, dove presumibilmente si sono formate.

Una nana bianca magnetica

Secondo lo studio, con primo autore Abbigail Elms, un dottorando del Dipartimento di Fisica dell’Università di Warwick, per WD J2147-4035 l’età complessiva deve attestarsi in circa 10,7 miliardi di anni poiché la stella non mostra prove di forte contaminazione.

Le analisi spettroscopiche hanno mostrato la presenza di forti linee di assorbimento del sodio e potassio in entrambe, ma WD J2147-4035 anche il litio.  Grazie alla riga del litio, scomposta in tre componenti per Effetto Zeeman, il gruppo di ricercatori ha potuto stabilire che questa nana bianca possiede un rilevante campo magnetico. I dati del satellite TESS mostrano invece una variabilità fotometrica di circa13 ore nella sua curva di luce.

Resti rocciosi nel giovane universo

WD J1922+0233 esibisce invece il calcio, comunque in quantità inferiore rispetto alla crosta continentale terrestre e meteoriti rocciose. Ciononostante, la presenza di una densa crosta di detriti è la più antica e oggettiva testimonianza dell’esistenza di oggetti solidi intorno a stelle vecchie circa 10 miliardi di anni, in un Universo ancora abbastanza povero di “metalli”. Quelle rilevate sono comunque abbondanze minuscole con le quali si stenta a mettere insieme anche un piccolo satellite del nostro Sistema Solare.

Resta ancora molto da capire

“Stiamo trovando i resti stellari più antichi nella Via Lattea che sono inquinati da pianeti un tempo simili alla Terra. È incredibile pensare che ciò sia accaduto su una scala di 10 miliardi di anni e che quei pianeti siano morti molto prima ancora che la Terra si formasse “, afferma Elms. “La rossa WDJ2147-4035 è un mistero poiché i detriti planetari accumulati sono molto ricchi di litio e potassio, diversi da qualsiasi cosa conosciuta nel nostro Sistema Solare. Questa è una nana bianca molto interessante poiché la sua temperatura superficiale ultra-fredda, i metalli che la inquinano, la sua antichità e il fatto che sia magnetica, la rendono estremamente rara”.

Molto resta ancora da sapere su questi due oggetti e altre informazioni arriveranno dalle osservazioni di follow-up.

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Informazioni su Giuseppe Donatiello 294 Articoli
Nato nel 1967, astrofilo da sempre. Interessato a tutti gli aspetti dell'astronomia, ha maturato una predilezione per il deep-sky, in particolare verso i temi riguardanti il Gruppo Locale e l'Universo Locale. Partecipa a programmi Pro-Am nello studio dei flussi stellari in galassie simili alla Via Lattea mediante tecniche di deep-imaging. Ha scoperto sei galassie nane vicine: Donatiello I (2016), Donatiello II, III e IV nel sistema di NGC 253 (2020), Pisces VII (2020) e Pegasus V (2021) nel sistema di M31. Astrofotografo e autore di centinaia di articoli, alcuni con revisione paritaria.