Perché le stelle scompaiono misteriosamente dal cielo notturno?

Un’impressione tecnica del sistema binario VTFS 243 Credito: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Gli astrofisici dell’Università di Copenaghen stanno aiutando a spiegare un misterioso fenomeno in cui le stelle scompaiono improvvisamente dal cielo notturno. Il loro studio su un insolito sistema stellare binario ha fornito prove convincenti del fatto che le stelle massicce possono collassare completamente e diventare buchi neri senza l’esplosione di una supernova.

Un giorno, la stella al centro del nostro sistema solare, il Sole, inizierà ad espandersi fino a inghiottire la Terra. Diventerà quindi sempre più instabile fino a ridursi in un corpo piccolo e denso noto come a Nana bianca.

Tuttavia, se il Sole fosse circa otto o più volte più massiccio, probabilmente esploderebbe in una massiccia esplosione, sotto forma di supernova. Il suo collasso provocherà un’esplosione, scagliando energia e massa nello spazio con una forza tremenda, prima di lasciare dietro di sé un’enorme massa di energia. Stella di neutroni O un buco nero sulla sua scia.

Anche se questa è una conoscenza di base su come muoiono le stelle massicce, c’è ancora molto da capire sul cielo stellato sopra e sulla spettacolare morte di queste stelle in particolare.

Telescopi ausiliari dell'ESO VLT per la Nube di Magellano

Il sistema stellare binario VFTS 243 si trova nella galassia nana “Grande Nube di Magellano” in prossimità della Via Lattea. Le Nubi di Magellano sono galassie satelliti della Via Lattea. Queste galassie nane, che orbitano attorno al centro galattico, possono essere viste solo dall’emisfero australe. Qui possono essere visti sopra i telescopi ausiliari del Very Large Telescope (VLT) dell’Osservatorio Europeo Australe a Paranal, in Cile. Credito: JC Muñoz/ESO

Una nuova ricerca condotta dagli astrofisici del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen fornisce la prova più evidente finora che le stelle molto massicce possono essere soggette a segretezza e segretezza molto maggiori rispetto alle supernove. In effetti, la loro ricerca suggerisce che con una massa sufficiente, la gravità di una stella potrebbe essere così forte che non si verificherebbe alcuna esplosione alla sua morte. In alternativa, la stella potrebbe subire il cosiddetto collasso completo.

“Crediamo che il nucleo della stella potrebbe collassare sotto il suo stesso peso, come accade alle stelle massicce nella fase finale della loro vita. Ma invece del collasso che culmina in una luminosa esplosione di supernova che eclissa la sua galassia, lo sono stelle con una massa più di otto volte superiore dovrebbe esistere.” Sole, il collasso continua finché la stella non diventa una stella. Buco nero“Spiega il primo autore Alejandro Vigna-Gomez, che era un ricercatore post-dottorato presso l’Istituto Niels Bohr quando è iniziato questo studio.

Fatti e miti: stelle che scompaiono

Nei tempi moderni, ci sono state molte osservazioni a riguardo Stelle che scompaiono inspiegabilmente.

“Un sondaggio sul nulla.” Guidato dall’astrofisico Chris Kochanek, è un esempio di uno sforzo di ricerca che sta attivamente cercando stelle in via di estinzione e spiegazioni per la loro scomparsa.

Il lettore curioso può anche approfondire le descrizioni storiche. Spesso ha qualcosa a che fare con la scomparsa improvvisa di stelle luminose, in linea con gli scenari di supernova. Ma ci sono altre storie su stelle che scompaiono improvvisamente, come il mito greco associato all’ammasso stellare delle Pleiadi, noto come le Sette Sorelle. Il mito delle Pleiadi descrive le sette figlie del gigante Atlante e della ninfa Pleione. Secondo la leggenda, una delle loro figlie sposò un essere umano e si nascose, il che fornisce una spiegazione molto poco scientifica, ma bellissima, del perché vediamo solo… Sei stelle nelle Pleiadi.

Questa scoperta è legata al fenomeno della scomparsa delle stelle, che ha suscitato l’interesse degli astronomi negli ultimi anni, e può fornire un chiaro esempio e una ragionevole spiegazione scientifica per fenomeni di questo tipo.

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“Se ci si fermasse a guardare una stella visibile in fase di collasso completo, potrebbe, col tempo, essere come guardare una stella spegnersi improvvisamente e scomparire dal cielo. Il collasso era così completo che non si verificava alcuna esplosione, nulla sfuggiva e si vedeva nessuna supernova Luminosa nel cielo notturno Gli astronomi hanno già notato recentemente l’improvvisa scomparsa di stelle luminose “Non possiamo essere sicuri di una connessione, ma i risultati che abbiamo ottenuto dall’analisi di VFTS 243 ci hanno portato molto più vicini a una spiegazione affidabile”. dice Alejandro Vigna-Gómez.

Nebulosa Ragnatela della Tarantola

Una vista dal telescopio spaziale Webb della Nebulosa Tarantola, dove si trova VTFS 243 Credito immagine: NASA, ESA, CSA e STScI

Un insolito sistema stellare senza segni di esplosione

La scoperta è stata motivata dalla recente osservazione di un insolito sistema stellare binario ai margini della nostra galassia chiamato VFTS 243. Qui, una stella massiccia e un buco nero circa dieci volte più grandi del nostro Sole orbitano l’uno intorno all’altro.

Gli scienziati sanno che tali sistemi stellari binari esistono nell’universo via Lattea Per decenni, una stella si è trasformata in un buco nero. Ma la recente scoperta di VFTS 243, oltre la Via Lattea nella Grande Nube di Magellano, è davvero speciale.

Fatti: buchi neri

Nemmeno la luce può sfuggire dai buchi neri. In quanto tali, non possono essere osservati direttamente. Tuttavia, alcuni buchi neri sono riconoscibili per la grande quantità di energia rilasciata dai gas che orbitano attorno ad essi. Altri, come nel caso di VFTS 243, possono essere osservati dalla loro influenza sulle stelle attorno alle quali orbitano.

In generale, gli astronomi ritengono che esistano tre tipi di buchi neri:

I buchi neri stellari – come quello in VFTS 243 – si formano quando le stelle con una massa superiore a otto volte la massa del Sole collassano. Gli scienziati ritengono che possano essercene fino a 100 milioni solo nella nostra galassia.

Si ritiene che al centro di quasi tutte le galassie esistano buchi neri supermassicci, da 100.000 a 10 miliardi di volte la massa del Sole. Sagittarius A* è il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea.

I buchi neri di massa intermedia (IMBH), ovvero da 100 a 100.000 volte la massa del nostro Sole, sono stati per molto tempo l’anello mancante. Negli ultimi anni sono emersi numerosi candidati credibili.

Esistono anche teorie che descrivono altri tipi di buchi neri, che non sono ancora stati scoperti. Uno di questi buchi, chiamati buchi neri primordiali, si sarebbe formato all’inizio dell’universo e teoricamente potrebbe essere microscopico.

“Normalmente, gli eventi di supernova nei sistemi stellari possono essere misurati in diversi modi dopo che si sono verificati. Ma nonostante il fatto che VFTS 243 contenga una stella collassata in un buco nero, non sono state trovate tracce di un’esplosione da nessuna parte “L’orbita del sistema è rimasta pressoché invariata da quando la stella è collassata in un buco nero”, spiega Alejandro Vigna-Gomez.

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I ricercatori hanno analizzato i dati osservativi per individuare una serie di segni che ci si potrebbe aspettare da un sistema stellare che in passato ha subito un’esplosione di supernova. In generale, trovano le prove di un simile evento semplici e poco convincenti.

Il sistema non mostra alcun segno di un significativo “calcio di nascita”, cioè l’accelerazione degli oggetti orbitali. È anche molto simmetrica, quasi perfettamente circolare nella sua orbita, e segni residui di rilascio di energia durante il collasso del nucleo della stella precedente indicano un tipo di energia compatibile con il collasso completo.

“La nostra analisi indica inequivocabilmente il fatto che il buco nero in VFTS 243 probabilmente si è formato istantaneamente, con energia persa principalmente dai neutrini”, afferma la professoressa Irene Tambora del Niels Bohr Institute, anch’essa coinvolta nello studio.

Un sistema di riferimento per studi futuri

Secondo il professor Tambora, VFTS 243 apre la possibilità di confrontare una serie di teorie astrofisiche e calcoli di modelli con osservazioni reali. Si aspetta che il sistema stellare sia importante per studiare l’evoluzione e il collasso delle stelle.

“I nostri risultati evidenziano VFTS 243 come il miglior caso osservabile finora della teoria dei buchi neri stellari formatisi attraverso il collasso completo, dove l’esplosione di supernova che i nostri modelli hanno mostrato come possibile fallisce. Si tratta di un importante test nel mondo reale per questi modelli. “, afferma il professore. “Ci aspettiamo sicuramente che sia “Il sistema funge da punto di riferimento critico per la ricerca futura sull’evoluzione e il collasso stellare”.

Informazioni aggiuntive: “calcio di nascita” mancante e altri segni (mancanti) di una supernova

Il “calcio della nascita” non c’è

Le forze violente della supernova colpiscono direttamente le neonate stelle di neutroni o i buchi neri rimasti, a causa dell’emissione asimmetrica di materia durante l’esplosione. Questo è ciò che i ricercatori chiamano il “calcio della nascita”. Questo calcio fa accelerare il corpo compresso. Il calcio della nascita conferisce tipicamente alle stelle di neutroni una velocità misurabile compresa tra 100 e 1.000 chilometri al secondo. Si prevede che la velocità sarà inferiore per i buchi neri, ma è comunque significativa.

Poiché il buco nero in VFTS 243 sembra aver accelerato fino a circa 4 km/s, non mostra alcun segno di aver ricevuto un calcio di nascita importante, come ci si aspetterebbe se avesse subito una supernova.

Allo stesso modo, la simmetria dell’orbita di un sistema stellare di solito mostra segni di aver subito l’impatto di una violenta esplosione di supernova, a causa dell’espulsione di materia che si verifica. Invece, i ricercatori hanno trovato la simmetria.

“L’orbita del VFTS è quasi circolare e la nostra analisi indica che non ci sono segni di asimmetria significativa durante il crollo, ciò indica ancora una volta che non c’è stata alcuna esplosione”, dice Alejandro Vigna Gomez.

Esplosione di energia

Analizzando l’orbita del sistema stellare binario, il team è stato anche in grado di calcolare la quantità di massa ed energia rilasciata durante la formazione del buco nero.

Le loro stime si adattano a uno scenario in cui il piccolo kick che si è verificato durante il collasso stellare non è stato causato dalla materia barionica, che include neutroni e protoni, ma dai cosiddetti neutrini. I neutrini hanno una massa molto piccola e interagiscono molto debolmente. Questa è un’altra indicazione che il sistema non ha subito un’esplosione.

Riferimento: “Vincoli sui calci del neutrino natale dal buco nero binario VFTS 243” di Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar e Tommaso M. . Torres, 9 maggio 2024, Lettere di revisione fisica.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

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Hanno contribuito alla ricerca i seguenti ricercatori:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

I ricercatori appartengono a diversi istituti di ricerca:

  • Niels Bohr Institute, Università di Copenaghen – Accademia Internazionale e Dark
  • Istituto Max Planck di Astrofisica, Garching, Germania
  • Istituto di Astronomia, Università di Leuven, Leuven, Belgio
  • Scuola di Fisica e Astronomia, Monash University, Clayton, Australia
  • Centro di eccellenza ARC per il rilevamento delle onde gravitazionali, Osgraph, Australia
  • Centro di astrofisica computazionale, Flatiron Institute, New York, USA
  • Osservatorio Steward, Università dell’Arizona, Tucson, USA
  • Dipartimento di Astronomia, Università di WashingtonSeattle, Stati Uniti
  • Università Tecnica di Monaco, Facoltà di Scienze Naturali TUM, Dipartimento di Fisica, Garching, Germania
  • Osservatorio Europeo Australe, Garching, Germania
  • Facoltà di Fisica e Astronomia, Università di Tel Aviv, Tel Aviv, Israele
  • Università di Aalborg, Aalborg, Danimarca

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