ASTEROIDI RIDOTTI IN BRICIOLE DALLA LUCE DELLE STELLE EVOLUTE

Le giganti rosse giocano ad Asteroids

L’effetto Yorp applicato alle fasce asteroidali delle giganti rosse è in grado di spiegare come mai attorno alle nane bianche si osservino con frequenza dischi di detriti e polveri. È una conseguenza dell’aumento della luminosità delle stelle nella loro fase finale: facendo ruotare gli asteroidi sempre più veloci, li disintegra in frammenti via via più piccoli

     13/02/2020
Social buttons need cookies

Disegno che mostra come si genera l’effetto Yorp su un asteroide asimmetrico. I due blocchi laterali riscaldati dal Sole riemettono radiazione infrarossa in direzioni diverse e questo genera una torsione netta che può accelerare o rallentare l’asteroide. Crediti: Wikipedia

Che cosa hanno a che fare le giganti rosse con il ben noto gioco arcade Asteroids? Qualcosa in comune c’è, ma partiamo dall’inizio. Nel Sistema solare sono stati scoperti quasi un milione di asteroidi, per lo più con orbite comprese fra quelle di Marte e Giove. Si tratta di corpi prevalentemente rocciosi con diametri che vanno da alcune centinaia di km a pochi metri, residuo del processo di formazione dei pianeti avvenuto circa 4,5 miliardi di anni fa. Il numero di asteroidi cresce in modo esponenziale al diminuire delle dimensioni, una conseguenza della loro evoluzione collisionale: gli asteroidi che osserviamo oggi al telescopio sono i frammenti degli asteroidi primordiali che – collidendo fra di loro – hanno dato origine alla popolazione di corpi attuale. Ogni asteroide ruota attorno al proprio asse, più o meno come fa la Terra, con periodi che possono andare da poche ore a diversi giorni. La cosa notevole è che il periodo di rotazione non è costante nel tempo, ma può subire aumenti oppure diminuzioni. Un ovvio fattore fisico che può influenzare la rotazione degli asteroidi sono le collisioni reciproche, anche se all’epoca attuale sono rare. Altra causa fisica in grado di modificarne la rotazione è la radiazione del Sole: si tratta dell’effetto Yorp (dalle iniziali di Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack, che per primi ne studiarono la fisica).

L’effetto Yorp è una forza di tipo non gravitazionale dovuta all’assorbimento della radiazione solare da parte della superficie dell’asteroide e al successivo irraggiamento termico. L’irraggiamento termico può generare una debole forza di rinculo asimmetrica che – agendo per milioni o miliardi di anni – accelera o rallenta la rotazione dell’asteroide. La modifica del periodo di rotazione dell’asteroide è tanto più efficace quanto più il corpo ha forma irregolare e asimmetrica, mentre si annulla per un corpo sferico. Nessun asteroide è perfettamente simmetrico quindi la torsione per effetto Yorp è sempre diversa da zero. Chiaramente, maggiore è l’intensità della radiazione che colpisce la superficie, maggiore sarà l’effetto d’alterazione del periodo di rotazione. Normalmente, nel Sistema solare l’effetto Yorp è fisicamente significativo solo per asteroidi fino a circa 40 km di diametro con densità medie dell’ordine di quella della roccia. Se un asteroide con struttura rubble pile viene accelerato dall’effetto Yorp e il suo periodo di rotazione scende al di sotto delle 2,2 ore (valore noto come spin-barrier), si può frammentare in diversi blocchi distinti e dare vita a un sistema binario o multiplo. La stragrande maggioranza degli asteroidi binari o multipli in giro per il Sistema solare sono nati proprio con questo meccanismo.

Il Sistema solare attuale è un’istantanea di un sistema complesso che sta lentamente cambiando. Confrontarlo con gli altri sistemi planetari scoperti negli ultimi 25 anni aiuta gli astrofisici a comprenderne l’evoluzione. A questo proposito esiste un’interessante dicotomia: mentre i sistemi planetari di stelle appartenenti alla sequenza principale del diagramma H-R (ossia stelle che fondono idrogeno in elio nei loro nuclei) sono dominati dai pianeti, quelli delle nane bianche lo sono da dischi di polveri e detriti. Asteroidi sono stati osservati in orbita attorno alle nane bianche Wd 1145+017 e Sdss J1228+1040, e potrebbero generare i cali di luce osservati in Ztf J0139+5245. Le nane bianche sono stelle morte, ossia nuclei stellari giunti alla fine del loro ciclo evolutivo in cui non viene più prodotta energia per mezzo della fusione nucleare. La stella compensa il proprio campo gravitazionale con la pressione esercitata da un gas di elettroni degeneri (gas di Fermi), per certi versi simile a quello che si trova nei metalli.

Una gigante rossa mentre espelle l’involucro di gas più esterno nello spazio e disintegra con la sua luce la fascia asteroidale che la circonda. Crediti: Esa/Nasa/A. Carbognani

Come si fa a passare dai sistemi planetari ai dischi di detriti? Di solito, nei dischi proto planetari avviene il processo inverso. Questo problema è stato recentemente studiato dai ricercatori inglesi Dimitri Veras e Daniel J. Scheeres, e i risultati sono stati pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. In sintesi, i dischi di detriti delle nane bianche sono quanto rimane degli asteroidi del sistema planetario originario. Cerchiamo di capire il meccanismo di formazione di queste strutture. Quando in una stella come il Sole l’idrogeno nel nucleo inizia a scarseggiare (mentre è abbondante l’elio), la struttura della stella cambia per trovare un nuovo equilibrio fra gravità – che tende a comprimere la stella – e pressione del gas e della radiazione – che tende a farla espandere. A un certo punto si innesca la fusione dell’idrogeno in un guscio esterno al nucleo di elio e la stella diventa una gigante rossa. Questo è solo l’inizio: in seguito la stella fonderà anche l’elio in carbonio, e avrà così a disposizione due sorgenti di energia nucleare. Una tipica stella di tipo solare, quando evolve a gigante rossa, può aumentare il raggio di un fattore cento e la luminosità di un fattore diecimila.

È proprio la luminosità la chiave per capire l’effetto che una gigante rossa ha sugli asteroidi che le orbitano attorno. Se aumenta in modo considerevole la luminosità della stella, anche l’effetto Yorp aumenta dello stesso fattore, quindi una parte degli asteroidi in orbita attorno alla stella andranno soggetti a una veloce riduzione del periodo di rotazione e – una volta raggiunta la spin-barrier – si disintegreranno in parti più piccole. L’effetto Yorp agisce anche sui frammenti, e dallo studio pubblicato risulta che le forze di coesione interna di una struttura a rubble pile non costituiscono una barriera efficace: la disintegrazione procede – come in una sorta di reazione a catena – fino ad arrivare a separare i singoli blocchi e granelli di polvere che costituiscono gli asteroidi.

I tempi scala fra una frammentazione e l’altra sono dell’ordine del milione di anni per asteroidi di alcuni km di diametro posti a 5 unità astronomiche dalla gigante rossa (un’unità astronomica corrisponde a circa 150 milioni di km, la distanza fra la Terra e il Sole). In media ci si aspettano dieci eventi di frammentazione per ogni asteroide, con episodi sempre più ravvicinati, mano a mano che la stella aumenta di luminosità mentre sale lungo il ramo delle giganti rosse.

Il futuro remoto della Fascia principale degli asteroidi nel Sistema solare è segnato: sarà ridotta in polvere quando il Sole diventerà una gigante rossa. Questo processo di disintegrazione multipla ricorda proprio il gioco Asteroids, del 1979. L’ambiente di Asteroids era un campo di asteroidi in cui si trovava immersa l’astronave del giocatore. Lo scopo del gioco era distruggere quanti più asteroidi possibile, frammenti compresi, per evitare possibili collisioni con la distruzione dell’astronave. Qui non si tratta di un gioco, ma dei processi fisici che avvengono attorno alle giganti rosse che – una volta diventate nane bianche – si trovano in eredità le fasce asteroidali ridotte a campi di detriti e polveri.

Per saperne di più: