La nuova abbagliante immagine di JWST mostra polverose spirali stellari

Uno degli aspetti più poetici dell’universo è che forze spaventosamente potenti e furiose possono scolpire oggetti di graziosa simmetria e bellezza.

E, come bonus aggiuntivo, tali forze possono anche dare una mano nella nostra stessa esistenza.

WR 140 è un sistema stellare binario, ovvero due stelle in orbita l’una intorno all’altra, a circa 5.400 anni luce dalla Terra. Entrambe le stelle sono bestie assolute, che emettono feroci quantità di luce, ma attraverso quella distanza astronomica la loro brillantezza è ridotta all’invisibilità a occhio nudo.

Tuttavia, il James Webb Space Telescope (JWST) ha una vista molto più acuta di noi semplici umani, inoltre scruta il cosmo a lunghezze d’onda infrarosse ben oltre ciò che i nostri occhi possono vedere. Gli astronomi hanno recentemente puntato JWST verso le stelle gemelle in WR 140 e ciò a cui hanno assistito è stato assolutamente spettacolare.

Gli astronomi si sono chiesti a lungo se granelli di polvere cosmica possano formarsi e fuggire dalle aspre regioni interne dei violenti sistemi stellari. Queste osservazioni JWST di WR 140 rivelano che la risposta è . L’intera struttura ha un diametro di almeno due anni luce (o 20 trilioni di chilometri) e probabilmente anche di più, poiché probabilmente ci sono braccia più deboli più lontane che si trovano oltre la portata di queste osservazioni JWST. Solo tenendo conto delle braccia visibili, questa struttura che circonda il WR 140 è la più grande del suo genere mai vista, quattro volte la larghezza della successiva più grande conosciuta.

La spirale increspata sembra quasi un difetto del telescopio stesso, uno strano fenomeno ottico che colpisce le osservazioni. Ma è molto reale, e la sua realtà smentisce il suo aspetto sottile: come descritto in un articolo appena pubblicato sulla rivista Astronomia della natura, questo accattivante costrutto emerge dallo scontro di immense forze che lanciano enormi quantità di materia nello spazio a velocità schiaccianti, alimentate da stelle che fanno sembrare il nostro sole una torcia con batterie in esaurimento.

E puoi impostare il tuo orologio da esso. O almeno il tuo calendario.

Ogni stella nel sistema binario WR 140 è molto più massiccia del sole. Una si trova nella fascia superiore di quella che può essere definita una stella “normale”, cioè una stella che brilla fondendo idrogeno in elio nel suo nucleo, proprio come fa la nostra stessa stella. A 30 volte la massa del sole è un mostro, e mostruosamente luminoso, che irradia energia a una velocità a milioni volte quella del nostro sole. Sostituisci il sole con questa stella al centro del nostro sistema solare e la Terra verrebbe cotta.

l’altro componente di WR 140 dà al sistema binario parte del suo nome; è in una classe speciale di stelle chiamata Wolf-Rayet (WR). Probabilmente ha iniziato la sua vita con 20 o più masse solari, ma alla fine ha esaurito l’idrogeno utilizzabile nel suo nucleo e ora sta invece fondendo furiosamente l’elio in carbonio. La fusione dell’elio anziché dell’idrogeno libera molta più energia, che sconvolge il delicato equilibrio della stella, tra la sua gravità che cerca di farla crollare e il suo calore infernale che cerca di farla esplodere. Questo fa sì che il materiale venga espulso nello spazio a una velocità davvero fantastica. Il vortice ventoso risultante ha portato via completamente metà della massa originale della stella, stiamo parlando di qualcosa di simile 20 ottani di tonnellate qui, una quantità quasi insondabile, lasciando la stella con solo (“solo”) 10 volte la massa del sole. È circa la metà della luminosità del suo compagno, il che lo rende ancora una centrale di radiazioni.

In effetti, anche l’altra stella espelle un vento di particelle, sebbene a una velocità sostanzialmente inferiore rispetto alla sua compagna Wolf-Rayet. Questi due venti si scontrano l’uno contro l’altro mentre si espandono lontano dalle rispettive stelle, ed è questa collisione cosmica che crea il modello a spirale nell’immagine JWST.

I ricercatori hanno già spiato questo tipo di struttura in precedenza, in WR 104 e Apep, entrambi sistemi stellari multipli con una componente Wolf-Rayet. Ma WR 140 è diverso perché le sue due stelle si trovano su un’orbita ellittica molto allungata. La loro separazione varia da circa 4 miliardi di chilometri a soli 200 milioni di chilometri, all’incirca la distanza di Nettuno e Marte dal sole, rispettivamente.

Quando sono più distanti l’uno dall’altro, i loro venti si espandono in modo relativamente libero, ma ogni 7,93 anni si avvicinano così tanto nella loro orbita che i venti iniziano a interagire fortemente. Intendiamoci, soffiano questi venti nove milioni di chilometri orari. La loro collisione a quelle velocità genera potenti onde d’urto, che agiscono un po’ come un martello che martella il materiale all’interno.

Gli osservatori che studiano WR 140 con telescopi terrestri avevano già dimostrato che il vento della stella Wolf-Rayet è fortemente legato al carbonio dragato dal nucleo stellare. Quando l’onda d’urto collisionale investe quel carbonio, gli atomi si riorganizzano in molecole complicate chiamate idrocarburi policiclici aromatici (IPA). Gli astronomi chiamano genericamente questo materiale, polvere.

L’espansione dei venti più il moto orbitale delle stelle rende la loro interazione geometricamente complessa. Utilizzando modelli computerizzati per simulare la fisica della situazione, gli astronomi del nuovo lavoro hanno riprodotto con notevole dettaglio le strutture viste nell’immagine JWST.

Una simulazione al computer modella la fisica alla base del sistema WR 140 per mostrare come i venti in collisione delle due stelle formano un ampio braccio di polvere che si espande lontano dal sistema e replica abbastanza bene le immagini di JWST.
Una simulazione al computer modella la fisica alla base del sistema WR 140 per mostrare come i venti in collisione delle due stelle formano un ampio braccio di polvere che si espande lontano dal sistema e replica abbastanza bene le immagini di JWST. Credito: Han et al. 2022

Quello che hanno scoperto è che la collisione produce la maggior parte della polvere appena prima e dopo il più vicino avvicinamento delle stelle l’una all’altra, ma non è così in occasione avvicinamento più vicino, quando gli effetti cumulativi dei venti stellari e delle radiazioni sopraffanno la formazione di polvere. Ciò porta a due impulsi di creazione ed espulsione di polvere, che vediamo come lunghe stelle filanti che volano via dal punto di contatto proprio come pennacchi di sabbia lanciati da un autocarro con cassone ribaltabile che gira bruscamente.

Inoltre, questo processo si ripete come un orologio in ogni orbita, generando ogni volta due spruzzi di materiale in espansione mentre le stelle si avvicinano l’una all’altra. Ogni serie di spray ha quasi otto anni per volare via ad alta velocità, percorrendo ben oltre 600 milioni di chilometri prima che emerga un’altra serie, creando uno schema increspato di braccia polverose e lacune rarefatte. Poco dopo la sua creazione, questa polvere è calda, rendendola visibile agli strumenti a infrarossi di JWST, che vedono il bagliore termico del suo calore. Ma quando le braccia si espandono, si raffreddano e svaniscono, motivo per cui le braccia esterne sembrano più deboli. Un’ispezione ravvicinata rivela 17 di questi bracci a spirale nell’immagine JWST, con archi incompleti che segnano ejecta più vecchi, più freddi e più distanti.

L’ampiezza degli schemi a spirale ripetuti – che iniziano praticamente sopra le stelle e si estendono così lontano da esse – indica che questa polvere viene creata vicino alle stelle e poi viaggia verso le profondità dello spazio interstellare, qualcosa che gli astronomi non erano sicuri potesse verificarsi in un tale sistema. E ciò significa che stelle binarie simili possono rappresentare una grande frazione della polvere che vediamo nella nostra galassia.

Gran parte di quella polvere si trova in enormi nubi di gas che alla fine possono collassare per creare un gran numero di stelle. Queste fabbriche di formazione stellare si trovano in tutta la Via Lattea, il che rende probabile che anche il sole sia nato in una. In effetti, alcune ricerche precedenti suggeriscono che i venti di una vicina stella Wolf-Rayet possono effettivamente innescare il collasso di una tale nuvola e potrebbero averlo fatto nel caso del sole.

La furia brutale di un sistema come WR 140 è innegabile, dalle incredibili luminosità delle sue stelle allo tsunami cosmico di venti polverosi che spazzano via. Ma c’è ordine in quel caos: le leggi della fisica che scolpiscono un modello vasto e adorabile, una girandola luminosa che possiamo vedere attraverso l’abisso interstellare che potrebbe avere una connessione con la nostra origine cosmica.

Quella polvere si mescolerà con il materiale più vecchio che fluttua nello spazio e un giorno potrebbe causare e far parte della creazione di nuove stelle, alcune delle quali potrebbero benissimo ricominciare il modello.

Poesia davvero.

Questo è un articolo di opinione e analisi e le opinioni espresse dall’autore o dagli autori non sono necessariamente quelle di Scientifico americano.

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