Illustrazione artistica della formazione di cristalli all’interno di una nana bianca. Crediti: Università di Warwick/Mark Garlick
Alla fine della loro vita la maggior parte delle stelle, compreso il Sole, diventano nane bianche. Queste stelle, di massa iniziale inferiore alle otto masse solari, dopo aver esaurito l’idrogeno e l’elio a disposizione come fonte di energia non sono in grado di innescare reazioni termonucleari successive e collassano sotto il proprio peso fino a che la pressione degli elettroni è sufficiente a contrastare la gravità. Nel frattempo si verifica al loro interno un raffreddamento progressivo che porta al loro definitivo spegnimento. Grazie a ciò, è possibile determinare l’età di una nana bianca in base alla sua temperatura e, secondo i modelli evolutivi comunemente accettati, durante questo processo di raffreddamento il plasma denso all’interno della nana bianca si cristallizza e la stella subisce un processo di solidificazione interna. Nel 2019 era stato riscontrato un comportamento anomalo in un certo tipo di nane bianche, che avrebbero mantenuto la loro luminosità costante per un periodo molto più lungo del previsto senza che fossero chiari i motivi. Uno studio pubblicato il mese scorso su Nature fornisce una possibile spiegazione.
Dai dati del satellite europeo Gaia era infatti stata identificata una popolazione di nane bianche il cui processo di raffreddamento si era interrotto oltre otto miliardi di anni fa. Questo aveva suggerito a Sihao Cheng dell’università di Princeton e al suo team – nello studio “A Cooling Anomaly of High-mass White Dwarfs” – che esistesse qualche fonte supplementare di energia che ne inibiva il raffreddamento. Dalla spiegazione ora proposta dal gruppo di ricerca di cui lo stesso Cheng fa parte, pare che nel processo di cristallizzazione di queste particolari nane bianche si inneschi un meccanismo di distillazione solido-liquido causato dall’impoverimento della fase solida delle impurità più pesanti. In pratica, in alcune nane bianche sembra che il plasma denso non si solidifichi semplicemente dall’interno verso l’esterno ma si formino cristalli solidi densi nel liquido che iniziano a galleggiare verso la superficie. Quando i cristalli si spostano verso l’alto, il liquido più pesante si sposta verso il basso, e questo trasporto convettivo di materiale più denso verso il centro della stella permette di liberare energia gravitazionale sufficiente a interrompere il processo di raffreddamento della stella per miliardi di anni.
Quando la stella si raffredda, i cristalli solidi formati nel modo ordinario (a) sono più pesanti del liquido e quindi si accumulano sulla superficie del solido sottostante. Se invece i cristalli solidi sono più leggeri del liquido (b), galleggiano verso l’alto e alla fine si sciolgono. Crediti: Bédard et al., 2024
«L’interpretazione che abbiamo proposto spiega tutte le proprietà osservate nell’insolita popolazione di nane bianche», dice il primo autore dello studio, Antoine Bédard dell’università di Warwick (Regno Unito). «È la prima volta che questo meccanismo di trasporto viene osservato in qualsiasi tipo di stella, il che è entusiasmante: non capita tutti i giorni di scoprire un fenomeno astrofisico completamente nuovo».
Ma perché questo fenomeno si verifica solo in alcune stelle e non in altre? La differenza è probabilmente dovuta alla composizione chimica della stella, poiché alcune nane bianche si formano dalla fusione di due stelle diverse che potrebbe variare, appunto, gli elementi presenti nella stella.
«Un aspetto affascinante di questa scoperta è che la fisica coinvolta è simile a qualcosa che osserviamo nella vita quotidiana: i cristalli solidificati all’interno della nana bianca galleggiano invece di affondare. Potremmo paragonare il loro comportamento a quello dei cubetti di ghiaccio che galleggiano nell’acqua», sottolinea Cheng.
Poiché le nane bianche sono utilizzate come indicatori di età delle popolazioni stellari, la scoperta del loro raffreddamento ritardato di alcune potrebbe portare a una revisione del processo utilizzato dagli astronomi per ricostruire il percorso di formazione della nostra galassia.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars” di Antoine Bédard, Simon Blouin e Sihao Cheng