CON L’APPRENDIMENTO AUTOMATICO, ANALIZZATE 24 MILIONI DI STELLE

158mila giganti rosse oscillanti per Tess

Grazie ai dati del satellite Tess della Nasa e a un nuovo metodo basato sull’apprendimento automatico, alcuni astronomi dell’Università delle Hawaii hanno individuato oltre 158mila giganti rosse oscillanti, su tutto il cielo, di cui hanno poi calcolato massa e distanza. Queste stelle, i cui ritmi di pulsazione derivano da onde sonore interne, rappresentano i primi accordi dell’esplorazione sinfonica della nostra galassia. Tutti dettagli su ApJ

     10/08/2021
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In questa illustrazione, stelle giganti rosse vicine e lontane attraversano il cielo. Le misurazioni del satellite Transiting Exoplanet Survey Satellite della Nasa hanno identificato più di 158000 giganti rosse pulsanti in quasi tutto il cielo. Tali scoperte hanno un grande potenziale per esplorare la struttura dettagliata della Galassia. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa/Chris Smith (KBRwyle)

Utilizzando le osservazioni del satellite Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite) della Nasa, gli astronomi hanno individuato una raccolta senza precedenti di giganti rosse pulsanti, in tutto il cielo. Queste stelle, i cui ritmi di pulsazione derivano da onde sonore interne, potrebbero essere assimilate ai primi accordi dell’esplorazione sinfonica del nostro vicinato galattico.

Sebbene Tess sia principalmente un cacciatore di esopianeti, la sensibilità con cui riesce a misurare la luminosità delle stelle lo rende lo strumento ideale per studiare le oscillazioni stellari, nell’ambito dell’area di ricerca chiamata astrosismologia. «Il nostro risultato iniziale, ottenuto utilizzando misurazioni stellari nei primi due anni di Tess, mostra che possiamo determinare le masse e le dimensioni di questi giganti oscillanti con una precisione che migliorerà man mano che Tess andrà avanti», spiega Marc Hon, Hubble Fellow della Nasa presso l’Università delle Hawaii a Honolulu. «Ciò che non ha eguali è l’ampia copertura di Tess, che ci consente di effettuare queste misurazioni in modo uniforme su quasi tutto il cielo».

Hon ha presentato la ricerca durante la seconda Tess Science Conference, un evento sostenuto dal Massachusetts Institute of Technology di Cambridge – tenutosi virtualmente dal 2 al 6 agosto – in cui gli scienziati hanno discusso di tutti gli aspetti della missione. In particolare, i risultati dello studio guidato da Hon saranno pubblicati su Astrophysical Journal.

Le onde sonore che viaggiano attraverso qualsiasi oggetto – sia esso una corda di chitarra, una canna d’organo o le parti interne della Terra e del Sole – si riflettono e interagiscono, rafforzandosi e talvolta annullandosi. Ciò può comportare la formazione di onde stazionarie, alla base dei toni negli strumenti musicali.

Appena sotto la superficie di stelle come il Sole, il gas caldo sale, si raffredda e poi affonda, dove si riscalda di nuovo, proprio come in una pentola di acqua bollente su una stufa calda. Questo movimento produce onde di pressione variabile – le onde sonore – che interagiscono, portando a oscillazioni stabili con periodi di pochi minuti che producono sottili cambiamenti di luminosità. Per il Sole, queste variazioni ammontano a poche parti per milione. Le stelle giganti con masse simili a quella del Sole pulsano molto più lentamente e i corrispondenti cambiamenti di luminosità possono essere centinaia di volte maggiori.

Le oscillazioni del Sole sono state osservate per la prima volta negli anni ’60. Oscillazioni di tipo solare sono state rilevate in migliaia di stelle dal telescopio spaziale francese CoRoT (Convection, Rotation and Planetary Transits), che ha operato dal 2006 al 2013. Le missioni Kepler e K2 della Nasa, che hanno osservato il cielo dal 2009 al 2018, hanno scoperto decine di migliaia di giganti oscillanti. Ora Tess ha esteso questo numero di un fattore 10. «Con un campione così grande, le giganti che potrebbero manifestarsi solo l’1 per cento delle volte diventano piuttosto comuni», afferma il coautore Jamie Tayar, anche lui Hubble Fellow presso l’Università delle Hawaii. «Ora possiamo iniziare a pensare di trovare esempi ancora più rari».

Le differenze fisiche tra un violoncello e un violino producono le loro voci distintive. Allo stesso modo, le oscillazioni stellari osservate dagli astronomi dipendono dalla struttura interna, dalla massa e dalle dimensioni di ciascuna stella. Ciò significa che l’astrosismologia può aiutare a determinare le proprietà fondamentali di un gran numero di stelle, con precisioni non ottenibili in nessun altro modo.

Quando stelle simili in massa al Sole si evolvono in giganti rosse – la penultima fase della loro vita stellare – i loro strati esterni si espandono di 10 o più volte. Questi vasti involucri gassosi pulsano con periodi più lunghi e ampiezze maggiori, il che significa che le loro oscillazioni possono essere osservate in stelle più deboli e più numerose.

Tess osserva ampie aree del cielo per circa un mese alla volta, utilizzando le sue quattro fotocamere. Durante la sua missione principale di due anni, Tess ha coperto circa il 75 per cento del cielo, ogni fotocamera ha catturato un’immagine completa di 24 per 24 gradi, ogni 30 minuti. A metà del 2020, le fotocamere hanno iniziato a raccogliere queste immagini a un ritmo ancora più veloce: ogni 10 minuti.

Il Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess) della Nasa ha ripreso circa il 75 per cento del cielo durante la sua missione principale durata due anni. Questa trama si dissolve tra la mappa del cielo di Tess e una “mappa della masse” costruita combinando le misurazioni Tess di 158mila stelle giganti rosse oscillanti con le loro distanze, stabilite dalla missione Gaia dell’Esa. La fascia principale in entrambe le immagini è la Via Lattea. Nella mappa delle masse, il verde, il giallo, l’arancione e il rosso mostrano dove le stelle giganti hanno in media più di 1.4 volte la massa del Sole. Tali stelle si evolvono più velocemente del Sole, diventando giganti in giovane età. La stretta corrispondenza delle giganti di massa superiore con il piano della Via Lattea, che contiene i bracci a spirale della nostra galassia, dimostra che contiene molte giovani stelle. Crediti: Nasa/Mit/Tess e Ethan Kruse (Usra), M. Hon et al., 2021

Le immagini sono state utilizzate per sviluppare curve di luce per quasi 24 milioni di stelle in 27 giorni, il periodo di tempo in cui Tess osserva ogni striscia di cielo. Per vagliare questa immensa quantità di dati, Hon e colleghi hanno “insegnato” a un computer a riconoscere le giganti pulsanti. Il team ha utilizzato l’apprendimento automatico, una forma di intelligenza artificiale che addestra i computer a prendere decisioni basate su schemi generali, senza programmarli esplicitamente. Per addestrare il sistema, il team ha utilizzato le curve di luce di Kepler di oltre 150mila stelle, di cui circa 20mila erano giganti rosse oscillanti. Quando la rete neurale ha terminato di elaborare tutti i dati di Tess, ha identificato un “coro” di 158505 giganti pulsanti.

Successivamente, il team ha trovato le distanze per ciascuna gigante utilizzando i dati della missione Gaia dell’Esa e ha valutato le masse di queste stelle. Le stelle più massicce del Sole si evolvono più velocemente, diventando giganti in giovane età. Una previsione fondamentale nell’astronomia galattica è che le stelle più giovani e di massa maggiore dovrebbero trovarsi più vicine al piano della galassia. «La nostra mappa dimostra, per la prima volta empiricamente, che è proprio così per quasi tutto il cielo», conclude il co-autore Daniel Huber, dell’Università delle Hawaii. «Con l’aiuto di Gaia, Tess ci ha regalato i biglietti per un concerto di giganti rosse nel cielo».

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