Il durissimo destino delle nane bianche

Quella in un sistema quadruplo sta diventando un gigantesco diamante

Rappresentazione artistica della struttura di una nana bianca con cristallizzazione del nucleo in corso. Le nane bianche hanno masse simili al Sole e dimesioni comparabili alla Terra.

Le nane bianche sono i resti inerti di stelle di tipo solare. Dopo aver bruciato tutto il loro combustibile nucleare, superata anche la fase di gigante rossa, queste stelle perdono gli strati esterni, formando una nebulosa planetaria. Al centro delle nebulose planetarie c’è sempre il nucleo caldo esposto che si avvia a diventare una nana bianca. Questi resti ultra densi caldissimi emettono ancora radiazioni e sono responsabili della ionizzazione del gas rilasciato intorno alla stella. Non avvenendo più alcuna reazione sono però destinate a un lento e inesorabile raffreddamento.

Schema di evoluzione di stelle con differenti masse iniziali. Le stelle più massicce di circa 8 masse solari esplodono come supernove e formano stelel di neutroni o buchi neri se la loro massa è superiore a 20 masse solari. Quelle di tipo solare e le nane rosse sono invece destinate a formare nane bianche. (ESA)

Almeno il 97% delle stelle nella nostra Via Lattea finirà per trasformarsi in nane bianche, mentre appena il 3% costituito dalle stelle più massicce (sopra 8 masse solari) finirà per esplodere come supernova, formando stelle di neutroni e buchi neri.  

Un raffreddamento lentissimo

Il raffreddamento delle nane bianche è un processo lentissimo che procede per miliardi di anni. Sotto una certa temperatura, tuttavia, il nucleo della nana bianca da fluido caldo inizia a solidificarsi con una progressiva cristallizzazione. Tale processo, previsto da oltre mezzo secolo, non è molto diverso dalla solidificazione dell’acqua, tranne che per la temperatura alla quale avviene poiché per le nane bianche è intorno a 10 milioni di gradi.

Nel 2019, un gruppo di ricerca aveva scoperto il primo caso convincente di nana bianca in fase di cristallizzazione, identificata per via di specifiche caratteristiche fotometriche non riconducibili ad alcuna particolare massa o età (Pier-Emmanuel Tremblay et al. 2019). Il processo di cristallizzazione è infatti esotermico e dura diversi miliardi di anni. L’effetto visibile sull’oggetto è un rallentamento del graduale raffreddamento facendo apparire le nane bianche più luminose e più giovani di quanto non siano in realtà anche di 2 miliardi di anni.  

Rappresentazione artistica di una nana biabca e del suo campo magnetico. (ESO/L. Calçada)

La cristallizzazione

Non tutte le nane bianche cristallizzano allo stesso ritmo. Quelle più massicce lo fanno più rapidamente e raggiungono la temperatura di cristallizzazione in circa un miliardo di anni. Nelle nane bianche con masse inferiori, il raffreddamento è più lento e ci mettono sino a sei miliardi di anni per solidificarsi.

Adesso un gruppo di ricerca, formato da Alexander Venner, Simon Blouin, Antoine Bédard e Andrew Vanderburg, comunica di aver identificato una nuova nana bianca che sembra essere nelle fasi iniziali della cristallizzazione. Lo studio è in pubblicazione su MNRAS e già disponibile sulla piattaforma arXiv.

Un gigantesco diamante

Ricerche precedenti hanno dimostrato che se la nana bianca è composta principalmente da ossigeno metallico e carbonio, il suo nucleo può cristallizzare come un gigantesco diamante. Tali oggetti sarebbero tutt’altro che fulgenti, anzi sarebbero tra gli oggetti più deboli e scuri in assoluto. Tuttavia, gli astronomi ritengono che nessuna stella si sia ancora completamente cristallizzata in un diamante. Il processo completo richiede, secondo i calcoli, almeno un milione di miliardi di miliardi di anni.

Con un’età dell’Universo pari a 13,8 miliardi di anni, anche le nane bianche più antiche sarebbero appena all’inizio del processo di cristallizzazione. Lo sforzo dei ricercatori è quindi volto a trovare esempi di nane bianche in tale fase iniziale del processo che, ovviamente, non è semplice.

Il sistema HD 190412

La nuova candidata si trova a 104 anni luce di distanza e fa parte di un sistema quadruplo chiamato HD 190412 con la principale simile alla stella Sirio (Tokovinin & Latham 2020). Questa associazione è stata identificata attraverso l’astrometria di Gaia EDR3 e confermata, oltre ogni dubbio, utilizzando i dati di movimento proprio d’archivio. La nana bianca, chiamata HD 190412 C, ha una temperatura effettiva di 6600K e una massa di 0,817 masse solarie sembra essere costituita da ossigeno metallico. In particolare, il gruppo ha cercato di determinare il ritardo di raffreddamento dovuto al processo di cristallizzazione che, come spiegato, rilascia calore. La velocità del processo dipende dalla composizione poiché essa condiziona il processo di dissipazione.

La temperatura della nana bianca è strettamente legata al suo colore ed è esattamente ciò che ha indagato il gruppo. Essendo la distanza del sistema stellare nota con buona precisione, la presenza di una stella molto simile a Sirio, vincola anche l’età degli oggetti, stimata in circa 7 miliardi di anni. I dati permettono quindi di stimare con maggiore precisione quelli della nana bianca HD 190412 C che appare saldamente nello spazio dei parametri previsti per le nane bianche in fase iniziale di cristallizzazione del nucleo. In particolare, è la prima nana bianca cristallizzante confermata in un sistema simile a Sirio.

Modello di raffreddamento di una nana bianca di 0,82 masse solari DA. Il pannello superiore mostra la frazione del nucleo C/O che viene cristallizzato in funzione dell’età di raffreddamento e il pannello inferiore mostra l’evoluzione della temperatura effettiva. Una stella indica la temperatura attuale di HD 190412 stimabile in 3,9 miliardi di anni e una frazione di cristallizzazione del nucleo del 65%.
(Tratto da A. Venner et al. 2023)

Lifting stellare

HD 190412 C, con un’età di circa 4,2 miliardi di anni, è la prima nana bianca per la quale la scala temporale della cristallizzazione può essere vincolata empiricamente, confrontandola con l’età dei membri del sistema per determinare se i modelli di raffreddamento riproducono adeguatamente l’età della nana bianca. Esibendo un’età fotometrica apparente di circa 3,1 miliardi di anni, la nana bianca sembra più giovane dell’età vera stimata di circa 1 miliardo di anni. Tale discrepanza è, secondo lo studio, una prova convincente del processo di cristallizzazione in corso.

La scoperta di questo sistema a soli 32 parsec suggerisce che i sistemi doppi e multipli contenenti nane bianche in cristallizzazione siano probabilmente numerosi. Il metodo usato valida un criterio per identificarne e caratterizzarne molte altre. Le scoperte future potrebbero quindi consentire test più rigorosi dei modelli di cristallizzazione.

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Informazioni su Giuseppe Donatiello 353 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 allo 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.