COSÌ PERDONO MASSA LE STELLE MASSICCE

Onda su onda, la risacca di Cassiopeia A

La dinamica dell’onda d’urto inversa nel resto di supernova Cas A rivela le proprietà della stella progenitrice. È il risultato di uno studio, pubblicato la settimana scorsa su Astronomy & Astrophysics, condotto attraverso modelli idrodinamici e magnetoidrodinamici e guidato dall’astrofisico Salvatore Orlando dell’Inaf di Palermo

     05/10/2022
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Sezione del materiale riscaldato e compresso dall’onda d’urto in Cas A negli intervalli di tempo indicati nei singoli pannelli. Il cerchio tratteggiato mostra la posizione della guscio di materiale circumstellare (notare la scala spaziale che aumenta per seguire l’espansione del resto di supernova), mentre la croce indica il centro dell’esplosione. Crediti: S.. Orlando et al. A&A, 2022

Uno degli aspetti più affascinanti dei resti di supernova (nebulose in rapida espansione prodotte dall’esplosione di stelle di grande massa) è che, dallo studio delle loro proprietà, è possibile comprendere i processi fisici avvenuti durante l’esplosione di supernova e le proprietà della stella esplosa. Per questo scopo, sono di grande interesse le proprietà chimico-fisiche degli ejecta – ossia i frammenti di materia espulsi dalla supernova a velocità anche superiori ai 10mila km/s – e la morfologia delle onde d’urto che caratterizzano il resto di supernova: sia di quella prodotta direttamente dall’esplosione, che si propaga sempre verso l’esterno (l’onda d’urto diretta), sia quella prodotta dall’interazione tra l’onda d’urto diretta e il mezzo circostante, detta onda d’urto inversa. La direzione di propagazione dell’onda d’urto inversa misurata da un osservatore esterno dipende dalla sua velocità di propagazione rispetto a quella degli ejecta (che si espandono sempre). Dal punto di vista degli ejecta, infatti, l’onda d’urto inversa si propaga sempre verso di essi, comprimendoli e riscaldandoli. Dal punto di vista di un osservatore esterno, invece, l’onda d’urto inversa appare muoversi verso l’interno se la sua propagazione attraverso gli ejecta è più rapida dell’espansione degli ejecta stessi. Questo può avvenire, ad esempio, appena gli ejecta rallentano per via dell’espansione del resto di supernova o a causa dell’interazione con il mezzo ambiente, ossia con gas e polveri circostanti.

Il resto di supernova Cassiopeia A (Cas A) è uno dei resti più interessanti per le asimmetrie dei suoi ejecta, sia morfologiche che chimiche. Come dimostrato da uno studio del 2021 guidato da astronomi dell’Inaf di Palermo, la maggior parte di queste asimmetrie sono da ricondurre ai processi in atto durante l’esplosione della stella progenitrice. L’onda d’urto diretta, invece, si sta propagando in modo quasi del tutto omogeneo con una velocità di circa 5500 km/s, senza evidenti disomogeneità. Al contrario, l’onda d’urto inversa di Cas A ha una struttura tutt’altro che omogenea. Infatti, mentre nei quadranti a est e nord si sta propagando verso l’esterno con una velocità che va dai 2mila ai 4mila km/s, nelle restanti parti del resto di supernova appare stazionaria o in moto verso l’interno con velocità fino a 2mila km/sec.

Salvatore Orlando, astrofisico all’Osservatorio astronomico dell’Inaf di Palermo e primo autore del nuovo studio pubblicato su A&A. Crediti: Inaf OA Palermo

Il team guidato dall’astrofisico Salvatore Orlando dell’Inaf di Palermo ha recentemente presentato alcuni modelli idrodinamici e magnetoidrodinamici che riescono a spiegare le caratteristiche di Cas A come conseguenza dell’interazione del resto di supernova con un guscio di mezzo circumstellare pre-esistente, con una massa di circa due masse solari, e dalla struttura non omogenea, essendo più denso da un lato. Questo guscio è stato prodotto presumibilmente dalla stella progenitrice durante le sue fasi evolutive precedenti all’esplosione. Le fasi di gigante e supergigante delle stelle, infatti, sono tipicamente caratterizzate da importanti espulsioni di massa, soprattutto quando le stelle sono in sistemi binari ravvicinati. In particolare, la stella progenitrice di Cas A potrebbe aver perso tra le 9 e le 14 masse solare di materiale durante le sue fasi evolutive finali, e questo guscio potrebbe essere il risultato di una violenta espulsione di massa avvenuta fra i 10mila e i 100mila anni prima dell’esplosione, durante l’evoluzione della progenitrice in un sistema binario, o del vento espulso con velocità di circa mille km/se durante una breve fase di Wolf-Rayet – stelle di grande massa che hanno espulso gli strati esterni ricchi di idrogeno mostrando una superficie ricca di elio – avvenuta poco prima dell’esplosione. L’interazione tra il resto di supernova e questo sottile (0.07 anni luce di spessore) e disomogeneo guscio di mezzo circumstellare è avvenuta nei primi 300 anni di evoluzione di Cas A, e ha prodotto un’onda d’urto riflessa che ha interagito con l’onda d’urto inversa. Quest’ultima ha risentito particolarmente di questa interazione, in particolare dove il guscio di materiale circumstellare è più denso, risultando nelle proprietà asimmetriche dell’onda d’urto inversa e omogenee dell’onda d’urto diretta osservate oggi in Cas A.

«In generale, la struttura e morfologia che osserviamo nei resti di supernova di tipo core-collapse riflettono le proprietà dell’esplosione della supernova, la natura del sistema stellare progenitore, e la struttura del mezzo circumstellare con cui il resto di supernova interagisce. Nel caso di Cas A«, spiega Orlando, primo autore del nuovo studio, pubblicato la settimana scorsa su Astronomy & Astrophysics, «per identificare nella sua struttura e separare tra loro gli effetti dovuti a supernova, stella progenitrice e mezzo circumstellare abbiamo sviluppato un modello magnetoidrodinamico tridimensionale che segue l’evoluzione dalla stella progenitrice alla supernova sino alla formazione del resto di supernova. Questo ci ha permesso di svelare che le anisotropie su grande scala osservate nello shock inverso di Cas A sono dovute a un’iterazione (avvenuta nel passato) del resto di supernova con un guscio di materiale circumstellare, probabilmente il residuo di una grossa eruzione di massa da parte della stella progenitrice avvenuta decine di migliaia di anni prima della sua esplosione».

«Il risultato è ancor più interessante», continua Orlando, «se si pensa che la supernova che ha dato origine a Cas A è stata di tipo IIb, cioè l’esplosione di una stella che, nelle fasi finali della sua evoluzione ha perso gli strati più esterni di materiale ricco di idrogeno (il mantello). Attualmente non si conosce la natura della progenitrice di Cas A (alcuni autori ipotizzano che abbia fatto parte di un sistema binario) e non si sa in che modo abbia perso il suo mantello. Il nostro studio permette di vincolare la storia della perdita di massa della progenitrice e fornisce un altro pezzo al puzzle per comprenderne la natura e stabilire se si trattasse di una singola stella o di un membro in un sistema binario. Questo studio, più in generale, può contribuire a far luce sui meccanismi fisici ancora incerti che guidano la perdita di massa nelle stelle massicce. Ciò è di fondamentale importanza dato il ruolo svolto dalla perdita di massa da parte di stelle massicce nell’ecosistema galattico, attraverso la sua influenza sul tempo di vita, la luminosità e il destino finale delle stelle e il suo contributo all’arricchimento del mezzo interstellare con elementi pesanti».

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