Ascoltare il suono delle stelle con l’astrosismologia

RICERCANDO ALL’ESTERO – C’è un legame molto profondo tra l’universo come lo conosciamo oggi e le stelle: tutto quello di cui siamo fatti e tutti gli elementi che ci circondano non sono altro che scarti della produzione di energia delle stelle. La stessa energia che permette a questi corpi di brillare porta elementi leggeri come idrogeno ed elio a fondersi, per dare origine a tutti gli elementi più pesanti che popolano la tavola periodica.

Per capire l’evoluzione chimica dell’universo è necessario comprendere la vita e la morte delle stelle. Matteo Cantiello, nuovo protagonista della nostra rubrica Ricercando all’Estero, è al Flatiron Institute di New York per studiare i processi che avvengono all’interno delle stelle e il loro ruolo nella tipologia di vita e morte di questi corpi celesti.

Cantiello si occupa in prevalenza delle stelle massicce, che hanno circa 10 volte la massa del Sole e sono coinvolte nella produzione delle esplosioni supernove e gamma ray burst.

Nome: Matteo Cantiello
Età: 38 anni
Nato a: Cecina (LI)
Vivo a: New York (Stati Uniti)
Dottorato: astrofisica (Paesi Bassi)
Ricerca: Fisica stellare
Istituto: Department of Astrophysical Sciences, Princeton University; Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute
Interessi: musica, neuroscienze, viaggiare, Burningman
Di New York mi piace: è il centro dell’universo, le possibilità, l’arte, la musica, il cibo
Di New York non mi piace: la vita un po’ frenetica, il clima, la mancanza della natura
Pensiero: L’uomo non è al centro dell’Universo, ma è l’Universo stesso a essere al centro di ognuno di noi.

Che approcci usi per studiare l’evoluzione stellare?

Di tre tipi, uno teorico-computazionale, uno di simulazioni 3D e uno di confronto con le osservazioni.
Per quanto riguarda quello teorico-computazionale uso dei modelli 1D, quindi semplificati, per cercare di comprendere l’intera evoluzione della stella attraverso miliardi di anni.

Le soluzioni unidimensionali, però, non riescono a catturare processi molto complessi, perciò ricorriamo a simulazioni 3D: sono simulazioni molto costose, fatte su supercomputer, che analizzano periodi brevi di evoluzione stellare. Infatti, se volessimo simulare l’evoluzione di una stella in tre dimensioni, usando tutta la fisica con la risoluzione necessaria a descrivere i vari processi, avremmo bisogno di un tempo di calcolo incredibilmente lungo, più della vita di una persona. Quindi per il momento cerchiamo di trovare un compromesso e di capire quali sono i tratti della fisica più importanti in modo da estrarli e implementare un modello unidimensionale semplificato.

Infine facciamo un confronto con le osservazioni, che possono essere di due tipi. In genere, guardando una stella e con i satelliti come Gaia, possiamo ottenere informazioni sulle proprietà di superficie, come la luminosità, la posizione, velocità, distanza e temperatura. Tuttavia, la maggior parte dei processi importanti, come la fusione termonucleare, avvengono all’interno delle stelle, nel core o nocciolo, e non possono essere visti formalmente.

Questa situazione è cambiata negli ultimi anni, soprattutto grazie ai satelliti, e oggi è possibile applicare a un gran numero di stelle una tecnica chiamata astrosismologia. Funziona come la sismologia per la Terra e si basa sulle caratteristiche delle onde che si propagano in un mezzo per ricostruire in maniera indiretta la composizione interna di un corpo. Per le stelle, la differenza rispetto alla Terra è che le onde vengono create da fenomeni interni, come la convezione, quindi è la stella stessa che si perturba.

Come vengono rilevate queste onde e che tipi di informazioni possono fornire?

Le onde fanno sì che la stella oscilli e, oscillando, il gas alla superficie viene compresso e rarefatto in funzione del tempo: nelle zone in cui il gas è compresso si ha un leggero aumento della temperatura, dove è rarefatto una diminuzione. Le zone più calde emanano più luce di quelle più fredde perciò, da grande distanza, quello che si osserva è una variazione periodica di luminosità. Le fluttuazioni luminose sono rilevate dai satelliti nello spazio e non sono visibili da Terra perché vengono cancellate dalla struttura dell’atmosfera. Con i dati raccolti si possono calcolare le frequenze tipiche, ricavare proprietà importanti dell’interno della stella e testare la validità dei modelli predittivi.

Le stelle si comportano come gli strumenti musicali. Immaginiamo un violino, una viola e un violoncello, strumenti con dimensioni molto diverse e che producono suoni molto diversi. Anche se non siamo nella stessa stanza dell’orchestra, ascoltando la frequenza e il timbro dello strumento possiamo riconoscere quale dei tre sta suonando. Così il suono delle stelle, cioè l’insieme delle frequenze di oscillazione della luce, ci fornisce preziose informazioni sulle dimensioni e sulle proprietà interne.

Quali proprietà sono state scoperte?

Grazie all’astrosismologia abbiamo individuato gruppi di stelle con proprietà molto peculiari. Prendiamo due violini, all’apparenza identici, che emettono note con un timbro differente, come se ci fosse qualcosa di diverso al loro interno. Abbiamo visto che ci sono stelle apparentemente identiche in superficie, con tutte le osservazioni uguali tranne la frequenza di un particolare tipo di oscillazione, quella che penetra più in profondità. Il fenomeno è frequente, avviene per il 20-50% delle stelle di massa leggermente superiore a quella del Sole nella fase di giganti rosse. Quindi deve esserci qualcosa nascosto nel centro della stella che ne cambia le proprietà di oscillazione e la nostra ipotesi teorica è che si tratti di un campo magnetico.

Questo campo magnetico è molto forte, 10-100 volte maggiore di quello delle classiche macchine di risonanza magnetica, ed è in grado di disturbare e distruggere le onde che arrivano. Pensiamo che ha origine dai processi di convezione che si verificano nel centro delle stelle durante la fase di sequenza principale: nelle stelle più massicce, il plasma interno si comporta come l’acqua della pasta quando bolle, cioè viene costantemente rimescolato e questo movimento può creare campi magnetici.

Abbiamo testato la teoria e abbiamo visto che riesce a riprodurre molto bene le osservazioni.

E che cosa avete ottenuto dalle simulazioni 3D?

Abbiamo simulato gli strati esterni di una stella molto massiccia, con massa 50-70 volte maggiore del Sole. Queste stelle sono molto rare e molto importanti per il loro impatto sulla dinamica del mezzo interstellare, la produzione di elementi e la possibilità di formare esplosioni molto intense come le supernove. Non si sapeva bene come queste stelle riescono a rimanere statiche; sono talmente luminose che l’accelerazione radiativa diventa uguale o maggiore della gravità, un po’ come avere un oggetto sospeso dal getto di una fontana. Abbiamo capito che la stella è molto instabile, gli strati esterni sono quasi non attaccati e, costantemente, alcune zone possono essere espulse, tanto che in questa fase evolutiva la stella può perdere molta massa in tempi brevi.

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