Da lontano, una stella sembra un punto netto nel cielo. Se riuscissimo a distinguerne il disco, però, vedremmo che non ha contorni così decisi: la sua luce sfuma dal centro verso il bordo, facendosi lentamente più tenue. Una sfumatura ben nota, ma che nuove osservazioni mostrano diversa da quanto prevedono i modelli delle atmosfere stellari.
A misurarla con grande precisione è stato un gruppo di ricerca guidato da Narsireddy Anugu, del Center for High Angular Resolution Astronomy della Georgia State University, usando il Chara Array sul Monte Wilson, in California. Lo studio, pubblicato il mese scorso su The Astronomical Journal, prende in esame 31 stelle evolute e confronta il modo in cui la loro luminosità cambia dal centro al margine del disco in due diverse bande dell’infrarosso. Il fenomeno si chiama limb darkening, o oscuramento al bordo, e dipende da quanto in profondità riusciamo a “guardare” nell’atmosfera della stella. Verso il centro del disco, la nostra linea di vista entra quasi perpendicolarmente nell’atmosfera stellare e la luce che riceviamo arriva da regioni più profonde e calde. Avvicinandoci al bordo, invece, lo sguardo diventa sempre più radente e intercetta soprattutto gli strati più esterni, dove la temperatura è più bassa: è per questo che il disco stellare appare più luminoso al centro e sfuma progressivamente verso i margini. Quanto sia marcata questa sfumatura dipende anche dalla lunghezza d’onda alla quale osserviamo la stella.
Le 31 stelle osservate con il Chara Array nel vicino infrarosso, a 1,6 micrometri, mostrano tutte il caratteristico limb darkening: la luce è più intensa al centro, dove vediamo regioni più calde, e si attenua verso il bordo, più freddo. I colori indicano l’intensità relativa, mentre accanto a ciascuna stella è riportato il raggio espresso in raggi solari. Le immagini sono mostrate alla stessa scala relativa. Crediti: Georgia State University/Chara Array
È qui che le nuove misure cominciano a discostarsi dalle previsioni: le osservazioni di Chara sono state effettuate simultaneamente nelle bande H e K dell’infrarosso, centrate rispettivamente attorno a 1,6 e 2,2 micrometri. Alle lunghezze d’onda maggiori l’oscuramento al bordo dovrebbe diventare meno pronunciato, come previsto dai modelli di atmosfera stellare. Ed è proprio quello che mostrano le osservazioni, insieme a un’altra tendenza: il limb darkening è meno marcato nelle stelle con temperature superficiali più elevate. Ma c’è un problema: nel campione osservato, il limb darkening diminuisce tra le due bande di quasi il 40 per cento, molto più di quanto prevedano i modelli. La direzione del cambiamento è quella attesa, ma la sua intensità no.
La differenza non riguarda soltanto un dettaglio dell’aspetto delle stelle: il modo in cui la luminosità varia dal centro al bordo porta infatti informazioni sulla distribuzione della temperatura e sull’opacità negli strati dell’atmosfera stellare e misurarlo direttamente offre quindi un banco di prova per verificare quanto bene i modelli descrivano la struttura delle stelle. Facile a dirsi, meno a farsi. Anche le stelle relativamente vicine sono così lontane da apparire nella maggior parte dei telescopi come puntini luminosi. Chara riesce a spingersi oltre grazie all’interferometria: combina la luce raccolta da sei telescopi distribuiti sul Monte Wilson, raggiungendo un potere risolutivo impossibile per ciascun telescopio preso singolarmente. Invece di produrre una fotografia convenzionale del disco stellare, misura come cambia il segnale interferometrico al variare della distanza fra i telescopi, permettendo di ricavare sia il diametro angolare della stella sia il profilo con cui la sua luminosità diminuisce verso il bordo.
Due modelli di Procyon, una delle stelle più brillanti del cielo e la principale della costellazione del Cane Minore, osservata a diverse lunghezze d’onda nel vicino infrarosso. In entrambi i casi la stella appare più luminosa al centro e più debole verso il bordo, il caratteristico effetto di limb darkening. Le misure del Chara Array mostrano però che questa sfumatura dal centro al margine è più marcata alle lunghezze d’onda più corte. Crediti: Georgia State University/Chara Array
Il confronto è particolarmente interessante perché riguarda stelle evolute, con atmosfere più estese e complesse rispetto a quelle di stelle come il Sole. Proprio per questo, descriverne con precisione il profilo di luminosità è una prova impegnativa per i modelli di atmosfera stellare. Gli autori ne hanno messi alla prova diversi, ma nessuno riesce a riprodurre del tutto quanto rapidamente il limb darkening cambia con la lunghezza d’onda. Conoscere bene il limb darkening serve anche fuori dallo studio delle atmosfere stellari. Quando un esopianeta transita davanti alla propria stella, infatti, non attraversa un disco uniformemente luminoso, ma la quantità di luce che nasconde cambia a seconda della zona del disco che sta coprendo e i modelli delle curve di transito devono tenerne conto per ricavare con precisione le proprietà del pianeta. Le stelle analizzate in questo studio non sono però quelle più comunemente cercate nelle osservazioni di transiti, per cui il prossimo passo sarà ampliare il confronto a stelle di sequenza principale e osservare il limb darkening su un intervallo di lunghezze d’onda ancora più ampio, dal visibile all’infrarosso.
Se anche lì la luce continuerà a sfumare diversamente da quanto previsto, saranno i modelli a dover mettere meglio a fuoco i bordi delle stelle.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astronomical Journal l’articolo “Empirical H- and K-band Limb Darkening for 31 CHARA Stars: A Near-Infrared Benchmark for Stellar-Atmosphere Models”, di Narsireddy Anugu, John D. Monnier, Antoine Mérand, Becky Flores, Alexandre Gallenne, Douglas R. Gies, Mayra Gutierrez, Robert Klement, Stefan Kraus, Jayadev Rajagopal, Rachael M. Roettenbacher e Gail H. Schaefer