COSÌ PARTONO I GETTI DAL DISCO DI ACCRESCIMENTO DI UNA STELLA IN FORMAZIONE

Istantanea di moti a spirale

Osservate, per la prima volta in maniera diretta, le linee di flusso di un “disk wind” magnetoidrodinamico, il vento che, secondo le previsioni teoriche, si origina dai dischi di accrescimento intorno a oggetti cosmici come stelle in formazione e buchi neri. A firmare la scoperta, pubblicata oggi su Nature Astronomy, un team internazionale guidato da Luca Moscadelli dell’Inaf, mediante le osservazioni radio di un’emissione “maser” dell’acqua nei pressi di una stella nascente realizzate con il Vlbi array, una rete globale di 26 radiotelescopi distribuiti tra l’Europa, l’Asia e gli Stati Uniti

     11/08/2022
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Getti di materia che fuoriescono da una stella nascente (l’oggetto rosso al centro dell’immagine) nella regione di formazione stellare Iras 21078+5211, ripresa nell’infrarosso dal telescopio spaziale Spitzer e dalla Two Micron All Sky Survey. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/2Mass/B. Whitney (Ssi/University of Wisconsin)

Durante il loro processo di formazione, molti oggetti astrofisici, dai buchi neri supermassicci fino ai pianeti giganti, sono circondati da un disco di accrescimento dal quale partono potenti getti, collimati lungo l’asse di rotazione del disco. Il collegamento tra i due fenomeni, l’accrescimento e l’emissione dei getti, è essenziale affinché questi oggetti possano formarsi, rimuovendo dal sistema il momento angolare in eccesso e permettendo alla materia di continuare ad accumularsi sull’oggetto centrale.

Questo processo è stato compreso teoricamente negli anni Ottanta, collegando la formazione di buchi neri e stelle al cosiddetto disk wind magnetoidrodinamico: il vento lanciato dal disco tramite un meccanismo magneto-centrifugo. Mediante questo meccanismo, una frazione del flusso di accrescimento che dal disco procede verso l’oggetto centrale in formazione (un buco nero oppure una stella) viene lanciata e accelerata verso l’esterno, lungo l’asse di rotazione del disco, formando getti bipolari collimati.

La miglior prova a oggi dell’esistenza dei disk wind magnetoidrodinamici era stata l’osservazione di un gradiente della velocità lungo la linea di vista perpendicolare all’asse del getto, interpretata in termini di rotazione del getto dovuta alla sua origine magneto-centrifuga. Si trattava, tuttavia, di evidenza indiretta, soggetta a interpretazioni fallaci ed errori sistematici. Tracciare le linee di flusso tipiche di un disk wind magnetoidrodinamico è una prova molto più convincente.

Un nuovo studio pubblicato oggi su Nature Astronomy, condotto dai ricercatori Luca Moscadelli e Alberto Sanna dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) insieme a colleghi del Max-Planck-Institute for Astronomy di Heidelberg, dell’Università di Tubinga e dell’Università di Duisburg-Essen, in Germania, ha osservato una particolare emissione in banda radio: la riga emessa dalla molecola dell’acqua a una frequenza di circa 22 GHz. Questa emissione è comunemente osservata come un intenso “maser” – l’equivalente di un laser nella banda delle microonde – nelle regioni di formazione stellare. Come i laser, i maser sono fasci di radiazione intensi e altamente collimati. Le osservazioni della riga maser dell’acqua hanno consentito al team di rilevare, per la prima volta in maniera diretta, due tipiche linee di flusso di un disk wind magnetoidrodinamico: dei moti a spirale, in prossimità dell’asse di rotazione, e un flusso che ruota insieme al disco a distanze maggiori dall’asse.

Illustrazione delle linee di flusso (in blu e azzurro) rilevate in prossimità di una stella nascente nella regione Iras 21078+5211 mediante osservazione in banda radio dei maser dell’acqua (mostrati in rosso e arancione). In alto a destra, un’immagine su scala maggiore dei getti bipolari provenienti dalla stella in formazione e, nell’angolo, su scala ancora maggiore, un’immagine in banda infrarossa della nursery stellare (cliccare per ingrandire). Crediti: André Oliva, Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen

Le osservazioni sono state effettuate utilizzando il Very Long Baseline Interferometry (Vlbi) array, una rete globale formata da 26 radiotelescopi che osservano a 22 GHz distribuiti in Europa, Asia e Stati Uniti. Queste antenne hanno osservato simultaneamente, per 24 ore, l’emissione della riga maser dell’acqua in direzione della stella nascente, che si trova nella regione di formazione stellare Iras 21078+5211, a circa 5300 anni luce da noi.

La tecnica dell’interferometria a lunghissima linea di base permette di simulare un telescopio gigante con un diametro paragonabile a quello terrestre e di raggiungere una risoluzione angolare estremamente elevata (~0,5 milliarcsec), essenziale per studiare la distribuzione spaziale dei singoli centri di emissione dei maser dell’acqua vicino a stelle in formazione. Raggiungendo anche una sensibilità molto elevata (~0,7 mJy) nella riga maser, sono stati rivelati un gran numero di centri di emissione maser deboli (< 50 mJy), consentendo al team di tracciare accuratamente le linee di flusso del disk wind.

«Questo lavoro mostra che osservare le emissioni maser dell’acqua in prossimità di stelle in formazione usando l’interferometria a lunghissima linea di base (Vlbi) può essere uno strumento unico per studiare la fisica dei disk wind con dettagli senza precedenti», dice Luca Moscadelli, ricercatore Inaf a Firenze e primo autore del nuovo studio. «Abbiamo eseguito nuove osservazioni dell’emissione della riga maser dell’acqua includendo tutti i telescopi disponibili nella rete Vlbi, con l’obiettivo di simulare radiointerferometri di prossima generazione che miglioreranno la sensibilità attuale di oltre un ordine di grandezza. Il nostro obiettivo era rilevare maser deboli originantesi in gas eccitato in urti a bassa velocità vicino alla stella in formazione per campionare meglio la cinematica di un disk wind».

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