I dati catturati dalla navicella spaziale dell’ESA Gaia hanno rivelato per la prima volta come le nane bianche, i resti di stelle come il nostro Sole, si trasformano in sfere solide, mentre il gas caldo al loro interno si raffredda.
Questo processo di solidificazione, o cristallizzazione, del materiale all’interno delle nane bianche fu predetto 50 anni fa, ma fu solo con l’arrivo di Gaia che gli astronomi furono in grado di osservare abbastanza di questi oggetti con una precisione tale da vedere il modello che rivelava questo processo.
“In precedenza, conoscevamo la distanza solo di poche centinaia di nane bianche e molte di loro erano in gruppi, dove hanno tutti la stessa età”, dice Pier-Emmanuel Tremblay dell’Università di Warwick, Regno Unito, autore principale dell’articolo che descrive i risultati, pubblicati recentemente su Nature.
“Con Gaia ora conosciamo la distanza precisa, la luminosità e il colore di centinaia di migliaia di nane bianche per un campione considerevole nel disco esterno della Via Lattea, che copre una gamma di masse iniziali e di tutti i tipi di età.”
Evoluzione stellare
È nella stima precisa della distanza di queste stelle che Gaia fa una svolta, permettendo agli astronomi di misurare la loro vera luminosità con un’accuratezza senza precedenti.
Le nane bianche sono i resti di stelle di medie dimensioni simili al nostro sole. Una volta che queste stelle hanno bruciato tutto il combustibile nucleare nel loro nucleo, si liberano dei loro strati esterni, lasciandosi dietro un nucleo caldo che inizia a raffreddarsi.
Questi resti ultra-densi emettono ancora radiazioni termiche mentre si raffreddano e sono visibili agli astronomi come oggetti piuttosto deboli. Si stima che fino al 97% delle stelle nella Via Lattea si trasformeranno in nane bianche, mentre le stelle più massicce finiranno per diventare stelle di neutroni o buchi neri.
Il lungo periodo di raffreddamento
Il raffreddamento delle nane bianche dura miliardi di anni. Quando raggiungono una certa temperatura, la materia originariamente calda all’interno del nucleo della stella inizia a cristallizzarsi, diventando solida. Il processo è simile all’acqua liquida che si trasforma in ghiaccio sulla Terra a zero gradi Celsius, tranne per il fatto che la temperatura alla quale questa solidificazione avviene nelle nane bianche è estremamente alta – circa 10 milioni di gradi Celsius.
In questo studio, gli astronomi hanno analizzato oltre 15.000 candidati stellari entro 300 anni luce dalla Terra, come osservato da Gaia e sono stati in grado di vedere queste nane bianche cristallizzanti come un gruppo piuttosto distinto.
“Abbiamo visto un cumulo di nane bianche di determinati colori e luminosità che altrimenti non erano collegati tra loro in termini di evoluzione”, afferma Pier-Emmanuel.
“Ci siamo resi conto che questa non era una netta popolazione di nane bianche, ma l’effetto del raffreddamento e della cristallizzazione era previsto 50 anni fa”.
L’evoluzione delle nane bianche
Il calore rilasciato durante questo processo di cristallizzazione, che dura diversi miliardi di anni, sembra rallentare l’evoluzione delle nane bianche: le stelle morte cessano di oscurarsi e, di conseguenza, appaiono fino a due miliardi di anni più giovani di quanto non siano in realtà. Ciò, a sua volta, ha un impatto sulla nostra comprensione dei raggruppamenti stellari di cui queste nane bianche fanno parte.
“Le nane bianche sono tradizionalmente utilizzate per l’età di popolazioni stellari come gruppi di stelle, il disco esterno e l’alone nella nostra Via Lattea”, spiega Pier-Emmanuel.
“Ora dovremo sviluppare modelli di cristallizzazione migliori per ottenere stime più accurate dell’età di questi sistemi”.
Non tutte le nane bianche si cristallizzano allo stesso ritmo. Le stelle più massicce si raffreddano più rapidamente e raggiungeranno la temperatura alla quale avviene la cristallizzazione in circa un miliardo di anni. Le nane bianche con masse più basse, più vicine allo stadio finale previsto del Sole, si raffreddano lentamente, richiedendo fino a sei miliardi di anni per trasformarsi in sfere solide morte.
Il destino del nostro Sole
Il Sole ha ancora circa cinque miliardi di anni prima che diventi una nana bianca, e gli astronomi stimano che ci vorranno altri cinque miliardi di anni dopo per raffreddarsi infine in una sfera di cristallo.
“Questo risultato evidenzia la versatilità di Gaia e le sue numerose applicazioni”, afferma Timo Prusti, scienziato del progetto Gaia presso l’ESA.
“È eccitante come la scansione delle stelle attraverso il cielo e la misurazione delle loro proprietà possa portare all’evidenza di fenomeni plasmatici in materia così densa che non possono essere testati in laboratorio”.
