IL TURBOLENTO DISCO CIRCUMSTELLARE DELLA GIOVANE STELLA HD166191

Scontro fra asteroidi oscura una stella del Sagittario

Osservazioni ottiche e infrarosse sulla giovane stella HD 166191 nella costellazione del Sagittario hanno mostrato la presenza temporanea di una gigantesca nube di polveri e detriti in orbita attorno alla stella, molto probabilmente causata dalla collisione fra due grossi asteroidi presenti nel disco circumstellare. Si tratta della prima volta che viene documentato un evento collisionale di questo tipo, importante per capire le prime fasi evolutive di un sistema planetario

     22/03/2022
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Come si sono formati i pianeti terrestri – Mercurio, Venere, Terra e Marte – nel nostro Sistema solare? Si tratta di un tema dibattuto, e per capirlo nei dettagli si può ricorrere sia alle simulazioni numeriche al computer sia all’osservazione di sistemi planetari in formazione. Le simulazioni indicano che i pianeti terrestri si sono formati in seguito alla fusione collisionale di embrioni di corpi planetari più piccoli e che questo processo richiede un periodo di circa 200 milioni di anni per formare il pianeta. Un modo per verificare l’esistenza di questo processi attorno ad altre stelle è attraverso lo studio dell’eccesso di radiazione infrarossa causato dalla polvere che si produce negli impatti. Infatti, i granelli di polvere assorbono la luce della stella e la riemettono nell’infrarosso, determinando così un aumento della radiazione infrarossa osservabile nello spettro continuo della stella rispetto a quella che verrebbe emessa se la stella non fosse circondata da polveri. I modelli teorici predicono anche l’esistenza di variazioni casuali nell’emissione infrarossa  in seguito a impatti giganti che iniettano nuova polvere nello spazio circumstellare.

Una rappresentazione artistica della nube di polveri e detriti in orbita attorno alla giovane stella HD 166191. Gli astronomi, utilizzando il telescopio spaziale Spitzer della Nasa ora in pensione, hanno osservato questa nube di detriti transitare davanti alla stella fino a bloccarne quasi completamente la luce. Questa nube probabilmente è stata creata durante una collisione tra due grandi asteroidi del disco protoplanetario, i semi dei futuri pianeti che saranno in orbita attorno a HD 166191 (Nasa/Jpl-Caltech)

La formazione di pianeti terrestri non è però l’unico processo in grado di creare grandi quantità di polvere. In alternativa è possibile che gli elevati livelli di polvere derivino da processi di svuotamento dinamici e transitori delle regioni popolate dai planetesimi. Detta così sembra una cosa complicata, ma nel Sistema solare un tale evento deve essere avvenuto quando Giove ha formato le lacune di Kirkwood. Queste lacune si trovano nella Fascia principale e si manifestano come una mancanza di corpi nella distribuzione del numero di asteroidi in funzione della distanza dal Sole. Nel Sistema solare primordiale le lacune si sono formate dopo la dispersione del disco di gas che stabilizzava le orbite degli asteroidi contro le perturbazioni gravitazionali di Giove. Tolto il gas, le perturbazioni gravitazionali sugli asteroidi che si trovavano su orbite con un periodo in risonanza con quella del gigante gassoso hanno portato a un aumento del tasso di collisione reciproco con conseguente produzione di grandi quantità di polvere.

I modelli teorici prevedono che le conseguenze osservabili degli impatti giganti nel disco circumstellare persistano per milioni di anni. Qualche giorno fa è stato pubblicato un articolo su The Astrophysical Journal dove vengono riportati i risultati di cinque anni di osservazioni della giovane stella HD 166191 avente un’età stimata di soli 10 milioni di anni. Le osservazioni sono state fatte sia nell’infrarosso con Spitzer, sia nell’ottico con telescopi al suolo. Si tratta di una stella con una massa 1,6 volte quella del Sole appartenente alla costellazione del Sagittario, dove brilla con una magnitudine apparente +8,3 da una distanza di 330 anni luce: è una stella invisibile a occhio nudo, ma – ogni secondo – emette 4 volte la radiazione emessa dal Sole. Il tipo spettrale della stella è compreso fra F e G, quindi la temperatura superficiale è simile a quella del Sole, circa 6000 K, ed è circondata da una grande quantità di polvere, come dimostra il suo eccesso di emissione nell’infrarosso. L’emissione infrarossa della stella, monitorata alle lunghezze d’onda di 3,6 e 4,5 μm, ha attraversato due fasi: una fase quiescente prima del 2018 e una fase attiva successiva. I flussi infrarossi sono gradualmente aumentati a partire dalla metà del 2018 e hanno raggiunto un plateau entro la metà del 2019, raddoppiando l’emissione in eccesso. Poiché nei dati ottici non c’è un corrispondente aumento di luminosità, l’aumento del flusso nell’infrarosso non è imputabile alla stella, ma è attribuibile a un repentino aumento nella quantità di polvere e detriti presenti nel disco circumstellare. Questo aumento dell’emissione infrarossa suggerisce che nel disco protoplanetario della stella sia in atto un’intensa attività di collisione, probabilmente a causa della formazione di pianeti terrestri attraverso impatti giganti, oppure che le collisioni siano dovute a un corpo di taglia planetaria che agisce su una popolazione di planetesimi con il meccanismo che abbiamo descritto prima.

La curva di luce in ottico con i due cali profondi così come esce dai dati Asas-Sn. La curva di luce è in fase con un periodo orbitale di 142 giorni. I piccoli cerchi aperti rappresentano i dati grezzi non raggruppati mentre i cerchi grandi pieni con barre di errore mostrano i dati raggruppati in bin di 1 giorno. Notare come il secondo minimo sia più ampio e profondo del primo, indice di una evoluzione fra un transito e il successivo (Kate Y. L. Su et al., 2022)

La cosa veramente interessante, però, è che durante la fase di aumento dell’emissione nell’infrarosso, il 10 agosto 2018, è stata osservata una caduta di luminosità improvvisa sia a 3,6 sia a 4,5 μm, ma con una profondità diverse tra le due bande. Questo evento è stato visto anche nell’ottico dove si è avuto un calo dell’80 per cento della luminosità. Una diminuzione di luminosità ottica simile è stata osservata anche 142 giorni prima (purtroppo non ci sono i corrispondenti dati infrarossi). Evidentemente “qualcosa” deve essere passato davanti alla stella sulla linea di vista con la Terra, creando un’eclissi. Il profilo del calo di luminosità è stato simmetrico a tutte le lunghezze d’onda e questo implica che il materiale in transito davanti al disco stellare sia simmetrico lungo la direzione del movimento. Tuttavia l’ampiezza e la profondità dei due transiti osservati a distanza di 142 giorni erano diverse, quindi l’oggetto in transito non era un singolo corpo opaco, perché c’è stata un’evoluzione da un passaggio al successivo, e poi manca la fase di “plateau” tipica dei corpi opachi che transitano davanti ai dischi stellari. I tempi dei due transiti osservati in ottico pongono un vincolo sul periodo orbitale dell’oggetto, ovvero 142 giorni. Assumendo un’orbita circolare e tenendo conto della massa della stella, questo equivale a una distanza di 0,62 unità astronomiche da HD 166191, cui corrisponde una velocità orbitale di circa 47 km/s. Ecco quindi che, dalla durata del transito e dal valore stimato per la velocità orbitale, è stato possibile stimare la dimensione dell’oggetto che ha oscurato la stella.

I dati suggeriscono che si tratti di una nube di polvere e detriti molto allungata, con un’area minima stimata pari a tre volte quella della stella. Tuttavia, la quantità di luce infrarossa osservata da Spitzer suggerisce che solo una piccola parte della nube sia passata davanti alla stella e che, in realtà, polvere e detriti coprissero un’area centinaia di volte quella della stella. Per produrre una nube così grande gli oggetti entrati in collisione dovevano avere le dimensioni dell’asteroide Vesta che, con i suoi 530 chilometri di diametro, è fra i corpi maggiori della Fascia principale degli asteroidi.

Alla fine del 2019 non è stato riosservato il transito della nube, ma il sistema conteneva il doppio della polvere rispetto a prima che Spitzer la individuasse. Evidentemente polvere e detriti si sono dispersi rapidamente nello spazio. Si tratta della prima volta in cui viene osservato un evento del genere e questo porta a pensare che le collisioni giganti nei dischi circumstellari siano eventi frequenti. Quello di HD 166191 si è rivelato un sistema stellare giovane molto interessante, utilissimo per capire le prime fasi evolutive di un sistema planetario e che sarà certamente riosservato con il nuovissimo James Webb Space Telescope.

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