Animazione con i campi magnetici della nana bianca, responsabili probabilmente della presenza delle due facce. Crediti: K. Miller, Caltech/Ipac
Si chiama Janus, l’insolita stella nana bianca osservata per la prima volta in assoluto dai telescopi in California. E proprio come la divinità romana bifronte che guarda sia il passato che il futuro, rappresentando le fasi di passaggio e transizione, questa particolare nana bianca ha mostrato due facce, o meglio, due atmosfere differenti: una di elio e l’altra composta da idrogeno.
«La superficie della nana bianca cambia completamente da un lato all’altro», dice Ilaria Caiazzo, ricercatrice postdoc al Caltech (California Institute of Technology) che ha guidato il nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature. «Quando mostro queste mie osservazioni, rimangono tutti a bocca aperta».
Le nane bianche sono i resti estremamente densi e incandescenti lasciati dalla maggior parte delle stelle dopo la loro morte: quando le stelle invecchiano, si trasformano prima in giganti rosse, poi il materiale esterno viene spazzato via e il loro nucleo si contrae in nane bianche dense e incandescenti. Anche il nostro Sole evolverà in una nana bianca, tra circa cinque miliardi di anni. Le nane bianche hanno una massa paragonabile a quella del Sole, compressa però in un volume simile a quello di un pianeta come Terra: in presenza di una forte gravità, gli elementi pesanti sprofondano verso il centro e lo strato superiore della loro atmosfera contiene solo gli elementi più leggeri, di solito idrogeno o elio. Nel campione di nane bianche osservato in questo caso, però, gli astronomi hanno scoperto che almeno un membro della famiglia cosmica mostra due facce ben distinte: un lato della nana bianca è composto solo da idrogeno e l’altro solo da elio.
A 1300 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Cigno, Janus è stata inizialmente vista con lo Zwicky Transient Facility (Ztf), lo strumento che scansiona il cielo ogni notte dall’Osservatorio Palomar del Caltech, vicino a San Diego. Durante la sua ricerca di nane bianche altamente magnetizzate, Caiazzo ha scovato un oggetto che si è subito distinto per i suoi rapidi cambiamenti di luminosità. Dopo ulteriori indagini con la fotocamera Chimera del telescopio Palomar e con l’HiperCam del Gran Telescopio Canarias, sull’isola di La Palma (Canarie, Spagna), la ricercatrice ha confermato l’esistenza di Janus e la rotazione sul suo asse con un periodo di 15 minuti. Successive osservazioni effettuate dai telescopi Keck in cima a Maunakea, nelle Hawaii, hanno poi rivelato la peculiare natura bifronte della nana bianca.
Ilaria Caiazzo, ricercatrice del Caltech e prima autrice del nuovo studio pubblicato su Nature
Il team ha successivamente utilizzato uno spettrometro per diffondere la luce della nana bianca in un arcobaleno di lunghezze d’onda contenenti diverse “impronte chimiche”. I dati hanno rivelato la presenza di idrogeno quand’era in vista uno dei due emisferi della nana bianca, e di elio quando invece era visibile il lato opposto. Una scoperta che potrebbe aiutare a far luce sui meccanismi fisici alla base dell’evoluzione delle nane bianche.
Ma come mai una nana bianca che fluttua da sola nello spazio ha facce così drasticamente differenti? Il team, perplesso, ha elaborato alcune possibili teorie, e una di queste è che forse stiamo assistendo a una rara fase di evoluzione della nana bianca. «Alcune nane bianche passano dall’essere dominate dall’idrogeno alla completa predominanza dell’elio sulla loro superficie», spiega Caiazzo. «Potremmo aver colto una di queste nane bianche in flagrante».
Dopo la formazione delle nane bianche, gli elementi più pesanti affondano nel nucleo e gli elementi più leggeri – l’idrogeno è il più leggero di tutti – galleggiano verso l’alto. Ma col passare del tempo, quando le nane bianche si raffreddano, si pensa che i materiali si mescolino tra loro. In alcuni casi, l’idrogeno si mescola e si diluisce all’interno, e questo potrebbe far prevalere l’elio in superficie. Janus potrebbe rappresentare un esempio di questa fase di transizione.
Rappresentazione artistica della nana bianca “a due facce” Janus. Ciò che resta di una stella quando muore è composto da elio e idrogeno. Qui sono divisi su due facce, quella con l’idrogeno è il “volto” più luminoso. Credii: K. Miller, Caltech/Ipac
Rimane comunque da capire come mai la transizione avvenga in modo così disgiunto, con una parte che si evolve prima dell’altra. Perché, in pratica, si formano le “due facce”? La risposta potrebbe risiedere nei campi magnetici. «I campi magnetici intorno ai corpi cosmici tendono a essere asimmetrici, e questo può ostacolare il mescolamento dei materiali. Ecco dunque che, se il campo magnetico è più forte da un lato, quel lato avrà meno mescolanza – e quindi più idrogeno», spiega Caiazzo. Un’ulteriore ipotesi, formulata anch’essa dagli autori dello studio, è sempre legata ai campi magnetici: in questo secondo scenario, modificherebbero la pressione e la densità dei gas atmosferici. «I campi magnetici potrebbero portare a una minore pressione dei gas nell’atmosfera della nana bianca. Ciò favorirebbe la formazione di un “oceano” di idrogeno là dove i campi magnetici sono più forti», spiega il coautore dell’articolo James Fuller, professore di astrofisica teorica al Caltech. «Non sappiamo quale di queste teorie sia corretta, ma non riusciamo a pensare a nessun altro modo per spiegare la presenza dei lati asimmetrici senza campi magnetici».
Per provare a risolvere il mistero, il team spera di trovare altre nane bianche simili a Janus, sempre grazie allo studio del cielo tramite Ztf, ritenuto da Caiazzo uno strumento eccellente per trovare oggetti strani. Le future indagini, come quelle che verranno effettuate dall’Osservatorio Vera C. Rubin in Cile, dovrebbero rendere ancora più facile la ricerca di nane bianche variabili e, magari, stravaganti.
Per saperne di più:
- Leggi lo studio su Nature “A rotating white dwarf shows different compositions on its opposite faces” di Ilaria Caiazzo, Kevin B. Burdge, Pier-Emmanuel Tremblay, James Fuller, Lilia Ferrario, Boris T. Gänsicke, J. J. Hermes, Jeremy Heyl, Adela Kawka, S. R. Kulkarni, Thomas R. Marsh, Przemek Mróz, Thomas A. Prince, Harvey B. Richer, Antonio C. Rodriguez, Jan van Roestel, Zachary P. Vanderbosch, Stéphane Vennes, Dayal Wickramasinghe, Vikram S. Dhillon, et al.
Guarda sul canale YouTube di Caltech il video (in inglese) con Ilaria Caiazzo: