Grazie a due decenni di dati ottici raccolti presso il Keck Observatory alle Hawaii e all’aggiunta di nuovi dati infrarossi del James Webb, per la prima volta gli astronomi hanno osservato direttamente come la luce intensa delle stelle possa “spingere” la materia.

I ricercatori dell’Università di Cambridge e di quella di Sydney avevano effettuato delle osservazioni presso Mount Keck seguendo un gigantesco pennacchio di polvere generato dalle violente interazioni tra due stelle massicce, nel sistema binario WR 140. Di recente invece, il Webb è riuscito a vedere molto più in profondità e a scattare la foto non di un singolo pennacchio di polvere in accelerazione, ma di una ventina, annidati l’uno dentro l’altro a formare un sistema di anelli concentrici.

La pressione di radiazione della luce

A poco più di 5000 anni luce dalla Terra, il sistema binario WR140 è composto da un’enorme stella di Wolf-Rayet (evoluta, massiccia, calda e con eruzioni) e da una stella supergigante blu ancora più grande, legate gravitazionalmente in un’orbita di otto anni. WR140 emette pennacchi di polvere che si estendono per migliaia di volte la distanza tra la Terra e il Sole. Questi getti, prodotti ogni otto anni, offrono agli astronomi un’opportunità unica di osservare come la luce stellare possa influenzare la materia.

Infatti, la luce trasporta quantità di moto, esercitando una “spinta” sulla materia nota come pressione di radiazione. Questo fenomeno è spesso osservato sottoforma di getti di materia che si muovono nel cosmo ad alta velocità, ma non è semplice riuscire a cogliere la spinta vera e propria, registrando l’accelerazione dovuta alla radiazione e non alla gravità. La tecnologia delle vele solari funziona secondo lo stesso principio. Yinuo Han dell’Istituto di Astronomia di Cambridge, autore principale dello studio, ha spiegato:

È difficile vedere la luce delle stelle che causa l’accelerazione, perché la forza si affievolisce con la distanza, e altre forze prendono rapidamente il sopravvento. Per assistere a un’accelerazione di livello tale da diventare misurabile, il materiale deve essere ragionevolmente vicino alla stella o la fonte della pressione della radiazione deve essere molto forte.

Uragani stellari e interferometria

WR140 è un sistema particolarmente adatto per testare questo fenomeno. Si tratta infatti di una stella binaria il cui intenso campo di radiazioni si rende alla portata di dati ad alta precisione. Inoltre, i venti stellari delle stelle di Wolf-Rayet sono molto forti, simili ad un vero e proprio uragano stellare. Elementi come il carbonio nel vento si condensano sotto forma di polvere, che rimane abbastanza calda da brillare nell’infrarosso. Come il fumo nel vento, questo dà ai telescopi qualcosa che può essere osservato.

Il team che ha osservato con il telescopio Keck ha utilizzato la tecnologia d’imaging nota come interferometria, che è stata in grado di agire come una sorta di zoom per lo specchio da 10 metri. Ciò ha consentito ai ricercatori di recuperare immagini sufficientemente nitide di WR140 per lo studio.

In questo modo, Han e il suo team hanno scoperto che la polvere appartenente al pennacchio non fuoriesce dalla stella insieme al vento stellare. Si forma invece nel punto in cui i venti delle due stelle si scontrano. Poiché la stella binaria orbitante è in costante movimento, il getto di polvere si avvolge in una spirale.

Anelli di polvere rigettati ogni 8 anni

Tuttavia, le sorprese non erano finite qui. Lo scatto del James Webb infatti ha rivelato almeno 17 anelli di polvere concentrici che provengono dalla coppia di stelle. Ogni anello si è creato quando le due stelle si sono avvicinate e i loro venti stellari si sono scontrati, comprimendo il gas e formando particelle di polvere. Secondo le stime dei ricercatori, un anello viene prodotto una volta per ogni orbita completata, quindi ogni 7,93 anni.

Inoltre, in questo particolare sistema l’orbita della stella Wolf-Rayet è ellittica, non circolare. Di conseguenza, le stelle sono abbastanza vicine da produrre polvere solo per brevi periodi durante le loro orbite. Ecco cosa crea il singolare disegno ad anello. Gli anelli di WR 140, in più, non sono perfettamente circolari. Inoltre, appaiono più luminosi in alcune aree ma quasi invisibili in altre. Ciò è dovuto al fatto che:

• La produzione di polvere è variabile man mano che le stelle si avvicinano l’una all’altra.
• Il Webb non osserva direttamente il sistema sul piano orbitale delle stelle, ma in una posizione ad angolo.

L’immagine di Webb è stata scattata dal Mid InfraRed Instrumenti (MIRI) nei filtri F770W (7,7 micrometri, in blu), F1500W (15 micrometri, in verde) e F2100W (21 micrometri, in rosso). Le osservazioni sono state effettuate nell’ambito del programma ERO (Early Release Observation) numero 1349 di Webb.

La luce che accelera la materia

I ricercatori avevano costruito un modello per poter spiegare le conformazioni della polvere. In assenza di forze esterne, ognuna di esse avrebbe dovuto espandersi a velocità costante. Le osservazioni dicevano il contrario: la velocità di espansione non era costante, ma piuttosto in accelerazione. “L’avevamo colto per la prima volta” ha detto Han.

Con il Webb i ricercatori potranno imparare molto di più sul sistema stellare WR140 e su sistemi simili. Il telescopio spaziale offre grandi prestazioni di stabilità e sensibilità, che permetteranno di effettuare osservazioni molto più facilmente che da terra. Si sta quindi aprendo una nuova finestra sul mondo della fisica delle Wolf-Rayet.

Lo studio pubblicato su Nature, riguardante i dati del Keck Observatory e la corrispettiva ricerca, è disponibile qui.

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