Nano brune: stelle mancate

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Le stelle si formano dalla condensazione del gas e della polvere presenti nelle nubi interstellari, gli agglomerati di materia esistenti nello spazio. In presenza di fluttuazioni di densità (causate dalla compressione di materia diffusa a opera delle onde di densità nel disco galattico oppure dall’espansione dei residui delle supernovae), la condensazione avviene se la nube possiede una massa minima per cui le forze gravitazionali prevalgono sulla pressione interna della nube che si oppone alla contrazione (derivante per esempio dall’agitazione termica, dai moti turbolenti,dalla presenza di campi magnetici). La condensazione ha luogo nelle nubi interstellari grandi, dense e fredde: calcoli teorici stabiliscono un valore critico per la massa della nube (detto 'massa di Jeans') oltre il quale può avvenire la contrazione. Questo valore dipende soprattutto dalla temperatura e dalla densità della nube e in condizioni tipiche vale circa una massa solare.
Dapprima si ha la frammentazione delle nubi, poi la contrazione gravitazionale dei frammenti: le regioni un po’ più dense attraggono materia dalle altre e crescendo catturano sempre più materia. L’avvenire o meno di una contrazione di una certa nube dipende anche dalla temperatura del gas presente in essa e dalla sua densità centrale: quanto più bassa è la temperatura e quanto più alta la densità, tanto minore è la quantità di massa necessaria perché possa avvenire un processo di contrazione. La configurazione che prende luogo consiste di un nucleo centrale protostellare che attrae gravitazionalmente materia diffusa dalle regioni esterne, ma espelle anche materia attraverso potenti getti. Con il procedere della contrazione, la temperatura centrale cresce sempre più, fino a raggiungere qualche milione di gradi, sufficienti per innescare le reazioni termonucleari e far brillare la stella. La produzione di energia nucleare (a partire dalla fusione del deuterio nelle stelle giovani, e poi dell'idrogeno nelle stelle in piena maturità) genera una pressione interna in grado di controbilanciare la forza gravitazionale che tende a far collassare la stella, garantendo una configurazione di equilibrio. Questa configurazione si manterrà fino a che la stella non avrà esaurito il combustibile interno; al quel punto sono possibili diversi scenari evolutivi, che dipendono soprattutto dalla massa della stella.
Poiché la nube interstellare è soggetta a un movimento di rotazione (dovuto ai moti turbolenti del gas e alla rotazione galattica), durante il collasso gravitazionale la materia non cade direttamente sulla stella nascente, ma, per la conservazione del momento angolare si muove lungo un disco di accrescimento circumstellare che si estende per miliardi di chilometri. Il materiale del disco perde poi energia a causa di instabilità interne e fenomeni dissipativi e finisce per precipitare con un movimento a spirale sul corpo centrale. Il processo di formazione stellare è totalmente oscurato dalla polvere che circonda il nucleo centrale, che assorbe la radiazione ottica, ma non quella infrarossa, per cui soltamto con osservazioni effettuate in infrarosso è possibile indagare il fenomeno.

Cosmored

[Scolari]

Come si formano le stelle massive? “Nutrendosi” per accrescimento da un disco di polvere e gas che le circonda oppure dall’unione di due stelle più piccole? Due gruppi indipendenti di astronomi hanno trovato prove a sostegno del primo scenario, che è anche lo stesso con cui si ritiene si formino le stelle più piccole, come il nostro Sole. I risultati degli studi potrebbero contribuire a mettere la parola fine al conflitto fra le due teorie sulla formazione delle stelle di massa elevata.



Queste stelle (con una massa superiore a otto volte quella del Sole) sono relativamente rare, ma sono importanti perché creano elementi pesanti tramite il processo di nucleosintesi. Oltre a essere ancora poco conosciute, sono anche difficili da osservare perché si trovano generalmente molto distanti dalla Terra (di solito a oltre 7000 anni-luce). Due eccezioni sono Orione (a 1500 anni-luce) e la regione di Cepheus A (a 2400 anni-luce).

La formazione di stelle massive:

Osservata direttamente la nascita di stelle estremamente luminose e calde in un giovane cluster stellare.
Usando dati forniti da numerosi strumenti e telescopi, l’astronomo dell’European Southern Observatory (ESO) Dieter Nürnberger ha osservato per la prima volta quelli che sono i primi passi della formazione di stelle pesanti. Queste fasi cruciali dell’evoluzione stellare sono normalmente impossibili da osservare, in quanto le protostelle massive sono profondamente immerse nelle loro nubi native di polvere e gas, vere e proprie barriere impenetrabili per ogni strumento, tranne che alle lunghezze d’onda più elevate. In particolare, nessuna osservazione nel visibile o nell’infrarosso aveva mai “colto” l’istante della nascita di stelle massive, e pertanto si sa ben poco dei processi collegati. Approfittando di forti venti stellari provenienti da stelle adiacenti, che hanno aperto dei varchi nelle nubi in un giovane cluster stellare al centro del complesso NGC 3603, Nürnberger ha scoperto che molti oggetti in prossimità di una gigantesca nube molecolare sono protostelle massive, con un’età di soli 100.000 anni e ancora in crescita. Tre di questi oggetti, designati come IRS 9A-C, potranno ora essere studiati più dettagliatamente. Sono estremamente luminosi (IRS 9A è circa 100.000 volte più brillante del Sole), massivi (più di 10 volte la massa del Sole) e caldi (circa 20.000 gradi), circondati da polvere relativamente fredda (circa 0°C). Attualmente esistono due possibili teorie sulla formazione delle stelle massive: per accrescimento di grandi quantità di materiale circumstellare, o per collisione (coalescenza) di protostelle con masse intermedie. Le nuove osservazioni sembrano favorire l’ipotesi dell’accrescimento, vale a dire lo stesso processo della formazione di stelle con masse minori.

Lescienze

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Le onde d'urto generate nelle collisioni fra galassie eccitano il gas di idrogeno molecolare a partire dal quale si formeranno nuove stelle APPROFONDIMENTIUn ammasso di stelle neonate.
Nuovi dati provenienti dall'ISO, l'osservatorio a infrarossi dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), hanno fornito le prime prove dirette dell'eccitazione del gas che dà origine a nuove stelle da parte delle onde d'urto generate dalle collisioni fra galassie. Il risultato fornisce anche importanti indizi su come la nascita delle prime stelle sia stata innescata ed accelerata nell'universo primordiale. Osservando la nostra e altre galassie, gli scienziati hanno da tempo concluso che le esplosioni di stelle massive - come le supernove - generano onde d'urto e "venti" che viaggiano attraverso le nubi di gas circostanti, eccitandole. Questo processo innesca il collasso del gas che conduce alla nascita di nuove stelle, in una sorta di effetto domino. L'"impronta" caratteristica di questo processo è la radiazione emessa dall'idrogeno molecolare, che può essere rivelata nell'infrarosso. Ma questo tipo di radiazione è osservabile anche nei luoghi dove collidono le galassie e dove la formazione di nuove stelle procede a un tasso molto elevato. Finora, tuttavia, non era chiaro che cosa avvenisse nel periodo compreso fra la collisione di due galassie e la nascita delle prime nuove stelle. Ora l'anello mancante è stato individuato da un gruppo di astronomi tedeschi che hanno analizzato i dati dell'ISO di una coppia di galassie chiamata "Antennae" (NGC 4038/4039). Queste due galassie, situate a 60 milioni di anni luce di distanza nella costellazione del Corvo, si trovano attualmente nelle prime fasi di collisione. Gli scienziati hanno notato che la loro regione di sovrapposizione è molto ricca di idrogeno molecolare, il quale si trova in uno stato eccitato. Eppure ci sono troppe poche esplosioni di supernove o regioni di intensa formazione stellare per spiegare le emissioni di idrogeno molecolare osservate. Pertanto, l'eccitazione deve essere dovuta a quella prima fase della formazione stellare - molto rara da osservare - nella quale l'idrogeno viene eccitato dall'energia meccanica prodotta nella collisione e trasportata dalle onde d'urto.

Un ammasso di stelle neonate:

Scoperto con il telescopio spaziale Hubble un gruppo di stelle tuttora in fase di formazione nella Piccola Nube di Magellano.
Usando lo strumento Advanced Camera for rveys, gli astronomi del telescopio spaziale Hubble hanno scoperto per la prima volta una popolazione di stelle neonate nella galassia satellite della Via Lattea, la Piccola Nube di Magellano, situata a una distanza di 210.000 anni luce dalla Terra e visibile a occhio nudo nella costellazione meridionale del Tucano. Grazie all'eccellente nitidezza del telescopio spaziale, gli scienziati hanno individuato un gruppo di stelle appena nate, nascoste nella nebulosa NGC 346, che stanno ancora formandosi a partire da nubi di gas in collasso gravitazionale. La più piccola di queste stelle, che non hanno ancora cominciato a bruciare il proprio idrogeno per sostenere la fusione nucleare, ha soltanto la metà della massa del Sole. Anche se la nascita di nuove stelle è un evento comune all'interno del nostro disco galattico, questa galassia compagna è più primitiva e ancora priva di gran parte degli elementi pesanti che si formano nelle generazioni successive di stelle attraverso la fusione nucleare. Le galassie nane come la Piccola Nube di Magellano sono considerate i mattoncini da costruzione delle galassie più grandi. In passato, quando l'universo era molto più giovane, ne esistevano parecchie: dunque la Piccola Nube di Magellano rappresenta un laboratorio unico per comprendere la nascita delle stelle nell'universo primordiale.

Lescienze

[Scolari]

Scoperte, grazie alle osservazioni astronomiche, atmosfere con nuvole e tempeste.
Per la prima volta, sono stati osservati fenomeni meteorologici di tipo planetario su oggetti al di fuori del Sistema Solare. Secondo quanto si legge sulla rivista "Astrophysical Journal Letters", gli astronomi hanno scoperto atmosfere con nuvole e tempeste su varie nane brune, oggetti che hanno una massa molto maggiore di quella dei pianeti giganti, come Giove. "La migliore analogia per quello che abbiamo osservato - dice Adam Burgasser, dell'Università della California a Los Angeles - sono le tempeste di Giove. Ma sospetto che il clima sulle nane brune possa far sembrare la Grande Macchia Rossa, l'enorme tempesta con un diametro di circa due volte il diametro della Terra e con venti fino a 400 chilometri orari, come un piccolo temporale." Le nane brune sono stelle mancate, perché non posseggono abbastanza massa per sostenere la combustione nucleare dell'idrogeno. Per questo ci si aspetterebbe che divengano più deboli man mano che si raffreddano. Tuttavia, alcune osservazioni hanno mostrato che, durante una fase molto breve, esse sembrano aumentare la loro luminosità, e la spiegazione di ciò risiede nelle nuvole. Le nane brune sono ancora abbastanza calde, spesso con temperature di 2000 Kelvin, sufficienti a trasformare in vapore molte sostanze. Durante il raffreddamento, molti gas condensano in gocce liquide e danno origine a nuvole. Quando la stella si raffredda ulteriormente, i fenomeni meteorologici dell'atmosfera spazzano le nuvole, permettendo alla radiazione infrarossa dell'atmosfera inferiore di propagarsi nello spazio, causando l'insolito aumento di luminosità.

Le nane brune sono stelle mancate

Confutata l’ipotesi che si tratti di pianeti troppo cresciuti.
Alcune nuove osservazioni suggeriscono che le nane brune non siano pianeti troppo cresciuti, come ritenuto da una parte, seppur minoritaria, della comunità degli astronomi. Un gruppo di ricerca internazionale ha presentato al congresso dell’American Astronomical Society le prove che esse lo si formano come le stelle normali, ma possono anche possedere a loro volta dei pianeti. Le nane brune sono oggetti dotati di masse comprese tra 10 e 70 volte quella di Giove. Nonostante siano gigantesche, se confrontate con i pianeti, esse no sufficientemente massicce da innescare nel loro nucleo le reazioni termonucleari che fanno risplendere le stelle normali. I grandi telescopi del Very Large Telescope (VLT), in Cile, hanno permesso di osservare la radiazione infrarossa di un gruppo di nane brune in un ammasso di stelle di formazione recente che si trova a circa 1200 anni luce dalla Terra, nella costellazione di Orione. Si è così scoperto che circa 60 delle 100 stelle osservate possiedono un disco di materiale simile a quello da cui hanno origine i pianeti. Secondo gli autori del lavoro, si tratta di un dato molto consistente a favore dell’ipotesi che le nane brune possiedano un processo di formazione simile a quello di altre stelle.

Quante nane brune nel cielo

Un'immagine infrarossa rivela centinaia di questi oggetti scoperti relativamente da poco tempo.
Un'immagine della regione di formazione stellare nota come S106 ripresa dal telescopio per l'infrarosso baru, del National Astronomical Observatory giapponese, ha rivelato l'insospettata presenza di numerosissime nane brune. Le nane brune sono stelle mancate, che hanno una massa inferiore a 0,08 volte quella del nostro Sole e non possono quindi sostenere le reazioni termonucleari che fanno risplendere le altre stelle. In pratica si tratta di vie di mezzo fra le stelle e i pianeti giganti di tipo gioviano. Il fatto che le nane brune si formino in così grande numero è di estremo interesse per gli astronomi, che hanno spesso attribuito a queste stelle, difficili da osservare, una parte della massa mancante a spiegare la dinamica rotazionale delle galassie. S106 è un oggetto che si trova relativamente vicino alla Terra, a una distanza di circa 2000 anni luce. Al centro della regione si trova una stella molto giovane, formatasi solo 100.000 anni fa, che ha una massa pari a 20 volte quella del nostro Sole ed è destinata a esplodere come una supernova entro pochi milioni di anni. Il livello di dettaglio delle immagini di baru ha permesso di osservare una strana dinamica nel potente vento solare della stella centrale, che fluisce principalmente in due getti. Secondo gli astronomi, questo sarebbe il risultato della presenza di uno spesso disco di polveri e gas, che «strozza» il flusso sul piano equatoriale della stella.

Brillamenti da una nana bruna

Dall'inaspettata scoperta, nuove conoscenze su questi strani oggetti del cielo.
«Siamo rimasti veramente sbalorditi. Al massimo ci si attendeva di vedere qualche fotone ogni tanto; invece non si è rilevato nulla per nove ore e, infine, un forte, inaspettato brillamento di radiazione X: è stato come sentire un gatto che ruggisce.» Con queste parole è stata commentata da Lars Bildsten, docente di fisica presso l'Università della California a Santa Barbara, l'eccezionale evento di emissione di flare da parte di una nana bruna. La scoperta resa possibile dall'occhio elettronico del telescopio spaziale Chandra, avrà importanti conseguenze per la comprensione dell'origine e dell'attività esplosiva del campo magnetico di stelle di massa estremamente bassa. La nana bruna in questione è quella classificata con la sigla LP 944-20, presente nel cielo dell'emisfero sud nella costellazione della Fornace e distante solo 16 anni luce dalla Terra e con una massa stimata pari al sei per cento della massa del Sole. È proprio la massa limitata la caratteristica che fa delle nane brune delle stelle mancate (il limite è il sette per cento), poiché al loro interno la pressione gravitazionale non raggiunge valori abbastanza elevati da avviare il processo di fusione dell'idrogeno in elio, la reazione nucleare fondamentale che permette alle stelle di emettere radiazione elettromagnetica. Inoltre, recenti studi hanno portato a rivedere le precedenti stime dell'abbondanza di questi oggetti. «Più massicce dei pianeti, meno delle stelle, per molto tempo si è ritenuto che le nane brune fossero rare» – spiega Gibor Basri dell'Università della California a Berkeley – "Nuove osservazioni del cielo hanno indotto alla conclusione che possano essere comuni quanto le stelle. Quest'ultima osservazione sui brillamenti X induce a pensare che tali fenomeni possano avere origine nella materia calda e altamente magnetizzata presente al di sotto della superficie; tale materia può arrivare a riscaldare l'atmosfera al punto da creare correnti che, in opportune condizioni, danno luogo a questo tipo di fenomeni rari".

Nane brune ultrafredde

L'universo potrebbe essere popolato da molti corpi celesti con proprietà intermedie tra pianeti e stelle Lo Sloan Digital Sky rvey ha scoperto due nuove nane brune, stelle troppo piccole per poter sostenere al loro interno i processi nucleari che avvengono nelle stelle «normali». Queste due nuove «inquiline» ultrafredde dell'universo conosciuto rappresentano, poi, un caso del tutto particolare, per due ragioni: in primo luogo perché il loro spettro segnala la presenza di metano, e poi perché non hanno una stella compagna. Normalmente il metano non è presente alle altissime temperature delle stelle, né nelle altre nane brune conosciute, che sono risultate leggermente più calde di queste due, ma è invece abbondante nell'atmosfera di pianeti come Giove. Finora, tra l'altro, l'unica nana bruna che presentasse indizi di metano era stata trovata in orbita intorno a un'altra stella. Annunciando la scoperta all'American Astronomical Society, a Chicago, Xiaohui Fan - un astronomo della Princeton University - ha commentato: «Si tratta di oggetti piuttosto interessanti, perché hanno proprietà intermedie tra le stelle e i pianeti. Sono troppo piccole per essere chiamate stelle, ma probabilmente sono più grandi dei pianeti. E, diversamente da questi, non ruotano intorno a un sole, ma sono liberi di muoversi nello spazio interstellare.» Con una massa compresa approssimativamente tra 10 e 70 volte quella di Giove, queste nane brune potrebbero aiutare gli astronomi a comprendere i processi di formazione e di differenziazione delle stelle e dei pianeti. «Questi corpi celesti sono molto freddi e la loro luce è fioca» ha aggiunto Fan. «Ma sono molto importanti per l'astronomia, perché riempiono uno spazio vuoto tra le stelle e i pianeti. Sono, in qualche modo, oggetti di transizione.» Secondo David Golimowski, della Johns Hopkins University, aver scoperto due nane brune contenenti metano è particolarmente significativo, perché prova che questi oggetti dovrebbero essere piuttosto numerosi. A suo parere, potrebbero esserci - nella Via Lattea - tante nane brune ultrafredde quante sono le stelle vere e proprie.

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