GAIA-ESO SCOPRE UNA STELLA ANOMALA

L’abbondanza di litio nelle stelle resta un mistero

Nell’ammasso globulare Ngc 1261 è stata osservata una stella straordinariamente ricca di litio. Questa scoperta, ottenuta con i dati della survey Gaia-Eso, non è spiegabile con le teorie classiche di formazione stellare. I risultati sono stati appena pubblicati su Astronomy & Astrophysics

     29/06/2020
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L’ammasso globulare Ngc 1261 osservato con il telescopio spaziale Hubble. Crediti: Nasa/Esa.

Il litio è il metallo più leggero che esista ed è uno degli elementi primordiali prodotto nella nucleosintesi primordiale. È presente nella nostra vita quotidiana come componente fondamentale delle moderne batterie agli ioni che alimentano i telefoni cellulari o le auto elettriche. Non solo: il litio è un elemento capace di mettere in discussione le teorie classiche di evoluzione stellare, come dimostra lo studio appena pubblicato su Astronomy & Astrophysics da un gruppo internazionale di ricercatori. 

A circa 52 mila anni luce da noi, nell’ammasso globulare Ngc 1261, è stata osservata una stella circa mille volte più ricca di litio delle stelle di pari luminosità nella stessa fase evolutiva. Si tratta di un’anomalia rispetto a quanto previsto dai modelli classici, che non sono in grado di spiegare in modo univoco questo fenomeno. Nonostante tutte le investigazioni spettroscopiche effettuate finora sugli ammassi globulari (con dati da terra e dallo spazio), sono state individuate in precedenza solo altre quattordici stelle così ricche di litio e restano ancora senza risposta numerose domande sugli scenari astrofisici possibili.

Lo studio è stato realizzato grazie ai dati della survey Gaia-Eso, una campagna osservativa spettroscopica condotta da terra che ha come obiettivo principale la comprensione dei meccanismi di formazione e evoluzione della nostra galassia e dei suoi componenti, con la classificazione di circa centomila stelle attraverso l’utilizzo dei dati spettroscopici ottenuti con lo strumento Flames installato al Very Large Telescope dell’Eso in Cile. La scoperta è firmata da un team internazionale, tra cui numerosi ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica: Nicoletta Sanna, Elena Franciosini, Elena Pancino, Maria Tsantaki, Laura Magrini e Sofia Randich (co-principal investigator della survey Gaia-Eso) e Lorenzo Morbidelli afferiscono all’Osservatorio Astrofisico di Arcetri, e Angela Bragaglia dell’Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna.

La scoperta si inserisce in uno scenario ancora poco chiaro sui meccanismi fisico-chimici che determinano l’abbondanza chimica del litio nelle stelle. Ancora oggi infatti gli astrofisici si riferiscono all’incoerenza tra i dati osservativi e le predizioni dei modelli classici sulle abbondanze primordiali del litio parlando di cosmological lithium problem (problema cosmologico del litio). Oltre al litio primordiale, piccole quantità di questo metallo possono essere generate dal vento solare, dai raggi cosmici che colpiscono gli atomi più pesanti e dal decadimento di alcuni isotopi del berillio. Inoltre, alcuni processi fisici all’interno di stelle singole o binarie possono produrre e distruggere il litio, collegando così la sua abbondanza chimica ai meccanismi dell’evoluzione stellare, come dimostra lo studio in questione.

Solitamente, il litio viene misurato nell’atmosfera delle stelle presenti nell’alone della nostra Galassia e negli ammassi stellari. Nel caso di stelle singole, a causa dei moti convettivi, il materiale in superficie di tali stelle può essere trascinato negli strati più interni della stella dove la temperatura è più elevata e il litio può essere distrutto. Questo effetto è evidenziato dalla bassa abbondanza di litio nelle stelle fredde dell’alone, nelle quali i moti convettivi sono importanti. Ovviamente, nel caso in cui la stella sia parte di un sistema binario o multiplo, è possibile che si verifichino fenomeni di perdita o in generale di scambio di massa tra stelle compagne. 

Per fare luce sui fenomeni che intervengono nella variazione delle abbondanze del litio è cruciale l’osservazione di campioni di stelle negli ammassi globulari in cui si conoscono con precisione la distanza, la massa, le abbondanze chimiche e la fase evolutiva delle stelle, indicata con grande accuratezza dalla loro posizione nel diagramma colore-magnitudine (ottenuto dalla fotometria multicolore di altissima precisione per esempio grazie alle osservazioni ottenute con il telescopio spaziale Hubble). 

Diagramma di Hertzsprung–Russell delle più famose stelle della nostra galassia, la Via Lattea. Crediti: Wikimedia Commons.

La stella osservata si trova nel ramo delle giganti rosse del diagramma H-R colore-magnitudine, che permette di individuare in che fase evolutiva si trovi la stella. Questa posizione è di solito occupata da stelle di piccola massa (meno di 2.5 masse solari) che stanno bruciando idrogeno nel guscio esterno che circonda il nucleo centrale inerte di elio, il cui raggio sta aumentando rapidamente. 

Nicoletta Sanna – esperta di popolazioni stellari risolte nella Via Lattea e nel Gruppo Locale di ammassi globulari all’Inaf di Arcetri – è la prima autrice dell’articolo. Sanna spiega perché questa scoperta è così importante: «L’abbondanza di litio di questa stella è la più alta mai osservata in una stella gigante di un ammasso globulare. La stella si trova nella fase cosiddetta di Rgb-bump, l’unica fase evolutiva in cui si pensa che una stella singola di piccola massa possa sintetizzare nuovo litio, e questa potrebbe essere la prima volta in cui vediamo il meccanismo di formazione del litio in azione».

Ma quali sono le interpretazioni possibili di questa osservazione? 

Gli scenari possibili previsti dallo studio per spiegare la sovra-abbondanza di litio nella stella sono quattro.

Una prima spiegazione è che la stella, nella sua evoluzione da stella nana a stella gigante, e quindi a causa del grande incremento del raggio, abbia inglobato un pianeta o una stella di piccole dimensioni. Questo scenario potrebbe verificarsi in un lontano futuro (qualche miliardo di anni) anche tra la Terra e il Sole. Questa scenario sembrerebbe però poco probabile per stelle così povere di metalli come quelle degli ammassi globulari.

Una seconda possibilità potrebbe essere legata a un fenomeno di auto-arricchimento dovuto ai forti moti convettivi presenti in alcune complesse fasi evolutive della stella, in cui esistono interazioni fra strati con composizione chimica diversa e possibili bruciamenti nucleari che producono litio. 

Un altro scenario possibile è legato all’ipotesi che la stella faccia parte di un sistema binario o multiplo in cui esiste uno scambio di massa che causa l’arricchimento di litio di una delle compagne, oppure l’arricchimento di litio è dovuto alla cattura da parte della stella di materiale processato durante le esplosioni ricorrenti di stelle di tipo nova.

Nicoletta Sanna dichiara: «Serviranno nuove osservazioni mirate per poter fare luce sui diversi possibili meccanismi in grado di spiegare un’abbondanza di litio così alta, al momento non siamo in grado di escludere o confermare nessuna di queste ipotesi».

L’ipotesi più probabile è che la stella stia creando nuovo litio, ma serviranno nuovi dati mirati per confermare questa ipotesi ed escludere definitivamente le altre. Al momento non è possibile infatti trarre una conclusione definitiva sui meccanismi fisico-chimici che determinano l’abbondanza di litio nelle stelle che rimane per gli scienziati ancora un mistero da studiare.

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