Nell’universo, le interazioni tra una stella e i suoi compagni – che si tratti di pianeti o di nane brune – seguono fondamentalmente due dinamiche opposte. La prima è quella dei sistemi binari stabili, in cui i due corpi orbitano l’uno attorno all’altro, mantenendo una distanza sufficiente a non influenzarsi in modo significativo. La seconda dinamica, tipica dei sistemi instabili, è quella in cui la stella inghiotte il partner, consumandone rapidamente il materiale. Una dinamica, quest’ultima, che si verifica in seguito al decadimento orbitale del compagno o all’espansione stellare.
Rappresentazione artistica di Ztf J0440+2325, un sistema binario formato da una nana bruna (a destra) e una nana rossa (a sinistra) che orbitano l’una attorno all’altra ogni 86,65 minuti. La nana bruna cede materia alla compagna: il flusso di materiale colpisce la superficie della nana rossa, creando un hot spot nella regione d’impatto. Crediti: Aaron Householder (Mit)
La teoria ammetterebbe anche una terza dinamica, simile alla seconda, ma caratterizzata da un trasferimento di massa stabile e di lunga durata dal compagno alla sua stella ospite. Tale dinamica, tuttavia, non era mai stata osservata. A compiere la prima osservazione è stato ora un team di scienziati guidato dal Mit. In un articolo pubblicato lunedì scorso su Nature Astronomy, i ricercatori descrivono infatti un sistema binario in cui una stella si nutre lentamente della sua compagna in orbita ravvicinata: una nana bruna, un oggetto a metà strada tra un pianeta gigante e una stella vera e propria.
«Quando pensiamo all’interazione tra una stella e un pianeta o una nana bruna, immaginiamo sempre che alla fine la stella inglobi l’altro oggetto celeste», spiega Kevin Burdge, professore di fisica al Mit, tra gli autori della pubblicazione. «È quello che accadrà alla Terra quando il Sole diventerà una gigante rossa. Qui, però, abbiamo scoperto un’alternativa: invece di inghiottire completamente il compagno, la stella può consumarlo gradualmente, nel corso di miliardi di anni».
Il sistema binario in questione si chiama Ztf J0440+2325. Inizialmente scoperto dalla Zwicky Transient Facility (Ztf), una struttura osservativa situata all’Osservatorio di Monte Palomar, in California, Ztf J0440+2325 si trova all’interno della Via Lattea, a circa 300 anni luce dalla Terra, e rappresenta la prima osservazione di un sistema costituito da un oggetto di piccola massa che sta consumando lentamente e costantemente materiale da un altro oggetto di piccola massa.
Per determinarne la natura, i ricercatori hanno osservato Ztf J0440+2325 con diversi strumenti e telescopi. Le prime indagini sono cominciate nell’ottobre 2023, quando il sistema è stato osservato con Hipercam, una fotocamera astronomica ad altissima velocità, progettata per studiare fenomeni celesti variabili nel tempo, installata sul Gran Telescopio Canarias, alle Canarie.
Le curve di luce ottenute con Hipercam – grafici che mostrano come varia la luminosità di un oggetto nel tempo – hanno rivelato grandi variazioni, particolarmente marcate alle lunghezze d’onda più corte. Un comportamento difficile da spiegare con una singola stella, ma compatibile con quello di un sistema binario in cui una delle due componenti trasferisce materia alla compagna. In questo scenario, il materiale della stella donatrice, cadendo sulla superficie della compagna, produce su quest’ultima una regione molto calda e luminosa. A causa del moto orbitale, questa regione entra ed esce periodicamente dalla linea di vista, producendo le variazioni osservate nella luminosità del sistema.
La successiva modellizzazione delle curve di luce con il codice lcurve ha confermato l’ipotesi: i dati ottenuti dalle simulazioni erano infatti compatibili con un sistema binario compatto in cui una delle due componenti trasferisce materia alla compagna, dando origine a un hot spot sulla sua superficie. Ma è grazie agli strumenti Lris (Low Resolution Imaging Spectrometer) del telescopio Keck I ed Esi (Echellette Spectrograph and Imager) del telescopio gemello Keck II, entrambi situati alle Hawaii, che emerge l’identikit dei due corpi celesti.
Le successive osservazioni spettroscopiche con i telescopi Keck hanno mostrato che una delle componenti della coppia è una nana rossa di tipo M. Dalla sua velocità radiale, i ricercatori hanno dedotto la presenza di una compagna, il cui profilo è compatibile con una nana bruna, corpi celesti a metà strada tra pianeti e stelle. Ztf J0440+2325 è dunque un sistema binario composto da una nana rossa e una nana bruna, nel quale la prima accresce la materia della seconda.
I ricercatori hanno stabilito che la stella e la nana bruna sono estremamente vicine, con quest’ultima che orbita attorno alla stella ogni 87 minuti, su un’orbita che potrebbe essere contenuta all’interno del diametro del Sole. Entrambi gli oggetti sono piccoli per gli standard stellari: la stella ha una massa pari a circa 85 volte quella di Giove, mentre la nana bruna è circa 25 volte più massiccia.
Quanto al trasferimento di materia tra i due corpi celesti, un processo noto come accrescimento, si tratta di un fenomeno osservato solitamente nei sistemi binari in cui l’oggetto che riceve materia è un corpo estremamente compatto e massiccio, come un buco nero o una stella di neutroni. In questo caso, invece, ad accrescere la materia è una stella nana di tipo M. Per verificare che il trasferimento di materia avvenisse effettivamente, i ricercatori hanno simulato il processo di accrescimento all’interno di Ztf J0440+2325. Tenendo conto delle proprietà del sistema, hanno seguito il comportamento nel tempo di particelle di prova che rappresentano la materia della nana bruna, tracciandone il moto.
«Quando abbiamo seguito il moto di queste particelle di prova, abbiamo visto che effettivamente finivano per cadere proprio sulla superficie della stella», spiega Aaron Householder, ricercatore del Mit e coautore della pubblicazione. «È la prima volta che osserviamo una stella di piccola massa mentre accresce attivamente materia da un altro oggetto di piccola massa»
Ma non è finita. Il team ha infatti calcolato quanta di questa massa viene trasferita dalla nana bruna alla stella nana M. Secondo le stime, si tratterebbe di qualcosa come un centomillesimo della massa della Terra ogni anno, pari a circa due miliardi di tonnellate di materia al secondo. Per quanto possa sembrare una quantità enorme, si tratta in realtà di una frazione molto piccola della massa della nana bruna, sottolineano i ricercatori. Il trasferimento di materia procederebbe a un ritmo lento e costante, continuano gli scienziati, e potrebbe protrarsi per centinaia di migliaia di anni, se non miliardi di anni.
Questo lento processo di accrescimento, osservato a grande distanza, sarebbe alla base della caratteristica forma triangolare della curva di luce del sistema. Ma che c’entra la forma geometrica della curva di luce, vi starete chiedendo? Per capirlo dobbiamo fare un passo indietro all’epoca della scoperta della sorgente.
Come detto in apertura, Burdge e colleghi hanno individuato per la prima volta la sorgente nei dati della Zwicky Transient Facility. Adesso sappiamo che Ztf J0440+2325 è un sistema binario, ma all’epoca la sua curva di luce non era quella classica che ci si aspetta da un sistema di questo tipo, e nemmeno quella che ci si aspettava per un evento astronomico transiente. Mostrava infatti una caratteristica strana: anziché avere una forma a campana, tipica di oggetti variabili nel tempo come le supernove, aveva una forma triangolare.
Secondo i ricercatori, questa forma deriverebbe proprio dal trasferimento di materia del sistema: mentre la nana bruna e la materia orbitano attorno alla stella, la regione calda sulla sua superficie entra ed esce periodicamente dal nostro campo di vista. Il picco della curva corrisponde al momento in cui osserviamo direttamente questa regione particolarmente luminosa.
«È come se su uno dei due oggetti ci fosse una palla di fuoco perenne», osserva Burdge. «Mentre i due corpi orbitano l’uno attorno all’altro, il punto caldo entra ed esce dal nostro campo di vista: il picco del triangolo si verifica quando guardiamo dritto verso di esso».
Scoperta la natura del sistema binario e risolto il mistero della particolare geometria della curva di luce, i ricercatori intendono ora cercare altri sistemi caratterizzati da un simile trasferimento di materia lento e prolungato.
«Questo risultato sta ispirando molte nuove ricerche», conclude Householder. « Credo che impareremo molto su un diverso modo in cui pianeti e nane brune interagiscono con le loro stelle ospiti».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Stable mass transfer from a substellar object onto an M dwarf” di Aaron Householder, Kaitlyn Shin, Kevin B. Burdge,Thomas R. Marsh, Saul A. Rappaport, Kareem El-Badry, Joheen Chakraborty, Emma Chickles, Fei Dai, Matthew J. Graham, S. R. Kulkarni, Pablo Rodríguez-Gil, Andrew Vanderburg e Samuel Whitebook