La grande sinfonia di una piccola stella antica

Hd 4539 è una subnana calda, una classe di stelle abbastanza rare che hanno un’evoluzione peculiare: quando sono vicine alla fase di massima espansione di gigante rossa perdono gran parte del loro inviluppo diventando stelle relativamente piccole, con raggi tipici pari al 20 per cento del raggio del Sole, ed estremamente calde, con temperature effettive attorno ai 25-30mila gradi Kelvin.

Applicando le tecniche dell’astrosismologia ai dati del telescopio spaziale Kepler della Nasa, un team di ricercatori guidato da Roberto Silvotti, dell’Istituto nazionale di astrofisica, è riuscito a registrare ed analizzare le complesse oscillazioni di questo astro con un livello di dettaglio mai raggiunto prima.

L’astrosismologia studia la propagazione delle onde sismiche all’interno delle stelle, analogamente a quello che la sismologia fa per lo studio della struttura interna del nostro pianeta, ed è l’unico metodo che permette di ottenere informazioni dirette sugli strati interni delle stelle. Dallo studio di come le onde sismiche si propagano all’interno della stella se ne può dedurre la densità dei vari strati interni e quindi la struttura stessa. Questo grazie all’analisi delle piccolissime variazioni di luminosità prodotte dalle onde sismiche. Il gas caldo di cui è costituita la stella si comprime e si rilassa durante le pulsazioni stellari, aumentando e diminuendo l’intensità della radiazione.

Dal 2012 lo spettrografo Harps-N è montato in uno dei fuochi del Telescopio nazionale Galileo. È un cacciatore di pianeti extrasolari: uno strumento all’avanguardia in grado di misurare la velocità radiale delle stelle con una precisione di un metro al secondo, che rappresenta l’impronta sulla velocità della stella dovuta alla presenza di pianeti con massa simile a quella della Terra

L’astrosismologia è attualmente in fortissimo sviluppo grazie alle missioni spaziali CoRoT, Kepler e Tess, che hanno fornito e forniscono dati fotometrici di eccezionale qualità e, soprattutto, dati omogenei e continui per un arco di tempo di settimane, mesi o anni, senza i classici “buchi” che si riscontrano nelle misure fatte da Terra, dovute all’alternarsi di giorno e notte e alla variabilità del meteo.

Fra le molte centinaia di stelle studiate in dettaglio da un punto di vista sismologico, Hd 4539, che appartiene alla classe delle subnane calde, mostra proprietà sismiche peculiari.

Per quanto riguarda le subnane calde, queste stelle sono interessanti per vari motivi. Uno di essi è legato alla grande perdita di massa, il cui meccanismo non è del tutto chiaro se non per quel 50 per cento che si trova in un sistema binario stretto con un’altra stella. Per la restante metà delle subnane calde note, quelle che almeno apparentemente sono singole, la perdita di massa rimane un mistero. Le misure di velocità radiale ottenute con lo spettrografo Harps-N al Telescopio nazionale Galileo dimostrano che Hd 4539 è una stella singola, ed escludono non solo la presenza di un’altra stella, ma anche quella di un pianeta con massa di alcune volte quella di Giove, almeno per periodi orbitali fino a circa 300 giorni.

«L’analisi dei dati ottenuti dal telescopio spaziale Kepler rappresenta la parte più interessante dello studio» commenta Silvotti, ricercatore dell’Inaf di Torino e primo autore dell’articolo pubblicato sulla rivista “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” che descrive la scoperta. «La seconda fase della missione, chiamata K2, ha fornito ben 113mila misure fotometriche di grande precisione di HD4539, circa una ogni 59 secondi per 78.7 giorni. È stato possibile determinare ben 169 frequenze indipendenti di pulsazione della stella, 124 delle quali hanno una qualità sufficiente per renderci sicuri della loro natura. Un numero così elevato di frequenze non è di per sé una cosa nuova per questo tipo di stelle, la novità è che questa stella mostra modi di pulsazione molto complessi con un “grado”, ovvero il numero di circonferenze nodali, molto elevato».

Il grado di pulsazioni di Hd 4539 arriva fino a 12, fenomeno mai visto prima d’ora in questa classe stellare. Questo perché quanto più il grado dei modi di pulsazione è elevato tanto più i vari settori che sono in opposizione di fase fra loro tendono a “cancellarsi” a vicenda, cosicché la stella sembra costante in luminosità. Dal nostro punto di vista le stelle appaiono come un punto e possiamo quindi solo misurare la luce totale, non risolvere i singoli settori. Ciò è possibile solo sul disco del Sole, dove si osservano infatti modi con grado fino a 100 e oltre. Rispetto al Sole, però, Hd 4539 mostra due differenti modi di oscillazioni che permettono di studiare sia gli strati più esterni, sia quelli più interni, fino in prossimità del centro della stella.

Una volta determinate con precisione le varie frequenze di pulsazione di una stella, le stesse possono essere confrontate con i modelli teorici, sviluppati costruendo una stella artificiale al computer e facendola evolvere fino allo stadio evolutivo di interesse per poi farla pulsare, sempre artificialmente. In ragione dei vari parametri stellari usati, come massa o composizione chimica, i modelli producono determinate frequenze di pulsazione.

Dal confronto con le frequenze effettive, ottenute grazie alle misurazioni, si può cambiare progressivamente i vari parametri del modello fino ad ottenere la massima coincidenza fra frequenze teoriche e osservate. Per le subnane calde si può determinare la massa della stella, la profondità del mantello ricco di elio, la massa del “core”, la parte centrale dove avvengono le reazioni nucleari che trasformano l’elio in carbonio e ossigeno. Dalla percentuale di carbonio e ossigeno rispetto all’elio si può determinare anche l’età della stella.

Le pulsazioni permettono inoltre una misura diretta del periodo di rotazione della stella, in maniera del tutto indipendente dai modelli e quindi con ancora maggiore affidabilità.

«Questa stella mostra modi con grado così elevato perché è una stella molto brillante, con una magnitudine visuale 10.2, ed è molto brillante perché è relativamente vicina, a soli 600 anni-luce da noi. Per le subnane calde, una distanza così piccola è molto rara», aggiunge Silvotti. «Essendo così brillante, i dati di Kepler permettono di rilevare modi di pulsazione con ampiezze estremamente piccole, fino a poche parti per milione. Ed è molto probabile che Hd 4539 abbia un periodo di rotazione molto lungo, assai più lungo dei ~79 giorni di osservazione, cosa non così rara per queste stelle.».

Una stella come Hd 4539, così ricca di modi di pulsazione, costituisce un laboratorio ideale per il confronto con i modelli, ma anche una grossa sfida per affinare le attuali teorie che descrivono la struttura interna e il funzionamento delle stelle di piccola massa. Hd 4539 potrebbe essere la chiave per comprendere meglio la natura e l’evoluzione delle subnane calde, aggiungendo un tassello alla nostra comprensione dell’Universo.