Osservate coppie di stelle gemelle rare ed “improbabili”: esistono ma non dovrebbero

La storia che stiamo raccontando è iniziata circa 10 anni fa. Era il Dicembre del 2013 quando venne messo in orbita il telescopio spaziale Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea.

Da 10 anni questo telescopio (ancora oggi perfettamente operativo) sta osservando l’intera volta celeste, osservando più e più volte a distanza di tempo tutte le stelle fino alla magnitudine 20.

Quello che raccontiamo è solo una delle innumerevoli sorprese avute dalla missione Gaia.

Le osservazioni di Gaia

Gaia sta quindi effettuando un monitoraggio di circa 2 miliardi di stelle, misurandone le variazioni di luminosità e di posizione nel tempo.

Proprio grazie a questo monitoraggio, tra i miliardi di stelle osservate, gli astronomi ne hanno scoperto 21 che mostrano un comportamento peculiare.

Si tratta di 21 stelle con massa simile al Sole (dette stelle di tipo solare) le quali si muovono in cielo (orbitano) lungo delle piccole ellissi e impiegano un tempo compreso tra 6 mesi e 3 anni per compiere un’orbita completa. Essendo state monitorate dal telescopio Gaia per ben 10 anni, è stato possibile osservare queste stelle compiere più orbite complete consecutive.

Questo comportamento, cioè muoversi lungo un’ellissi, è tipico di stelle che possiedono una compagna e che (per la legge di gravitazione universale) ruotano attorno al comune centro di massa. Il fatto è che in questo caso la compagna è così debole da essere invisibile. Gaia è riuscita a osservare solo la stella di tipo solare ed il suo movimento, ma nessuna traccia della compagna invisibile.

Nel video di sopra si mostra per ciascuna delle 21 stelle l'orbita osservata (colore giallo) della stella di tipo solare. L'orbita dedotta della stella di neutroni, rimasta invisibile come spiegato nelle osservazioni di Gaia, viene rappresentata di colore viola. Le orbite hanno forma ellittica, ma con eccentricità e inclinazione rispetto all'osservatore diversa per ciascun sistema.

Il follow-up osservativo

Fatta una scoperta, ciò che generalmente succede è condurre un’attività di follow-up. Cioè, si è iniziato a osservare e studiare queste 21 stelle con altri telescopi e altra strumentazione allo scopo di caratterizzare questi sistemi binari (così detti in quanto costituiti da due stelle).

Grazie all’attività di follow-up condotta con i telescopi del Keck Observatory (Hawaii, USA), con i telescopi dell’European Southern Observatory (La Silla, Cile) e del Whipple Observatory (Arizona, USA) si è scoperto che la stella compagna invisibile in tutti e 21 sistemi è una stella di neutroni.

Le stelle di neutroni hanno una luminosità estremamente debole per cui Gaia non è riuscita a individuarle. In tutti e 21 i sistemi le stelle di neutroni sono quiescenti e scure.

Quando una stella di neutroni è in coppia con un’altra stella e la distanza che le separa è relativamente piccola, questa riesce a rubare alla compagna parte della sua massa. La massa catturata, nel processo di precipitare sulla stella di neutroni, produce una significativa emissione di radiazione X e radio, che rende stella di neutroni attiva e visibile.

Nei 21 sistemi oggetto dello studio, la distanza tra la stella di tipo solare e la stella di neutroni è sufficientemente grande (2-3 volte la distanza Sole-Terra) da aver impedito il “furto” di massa, lasciando la stella di neutroni invisibile.

E' molto comune che le stelle nascano in coppia o come sistemi multipli. Nascendo contemporaneamente si tratta di stelle gemelle. Tuttavia, quelle di massa maggiore bruciano più rapidamente le tappe evolutive. Pertanto, sebbene gemelle sono "diverse". Nei sistemi binari esaminati sia la stella di tipo solare sia la stella di neutroni hanno stessa età, che può essere di miliardi di anni. Tuttavia una è ormai morta (la stella di neutroni), l'altra ha ancora lunghissima vita.

Cosa rende rari e improbabili questi sistemi stellari

Come riportato nel titolo di questo articolo, si tratta di sistemi stellari rari. Si pensi che su 2 miliardi di stelle monitorate da Gaia, ne sono state scoperte solo 21. Sicuramente altre ce ne saranno, ma la loro percentuale è estremamente bassa.

Inoltre, sono sistemi “improbabili” che esistono ma non dovrebbero esistere. Infatti, secondo i modelli che descrivono l’evoluzione delle stelle, la stella di neutroni prima di esplodere deve esser diventata una gigante o supergigante. Quindi, sempre in base ai modelli ci si aspetterebbe che questa stella espandendosi abbia inglobato completamente la stella di tipo solare. Inoltre, è sorprendente come, dopo averla inglobata, la successiva esplosione di supernova non l’abbia distrutta.

Doppio mistero quindi, quello di una stella solare che è sopravvissuta ad un inglobamento e ad una supernova, cioè una delle esplosioni più violente nell’Universo.

Riferimenti allo studio

El-Badry, Kareem, Hans-Walter Rix, David W. Latham, Sahar Shahaf, Tsevi Mazeh, Allyson Bieryla, Lars A. Buchhave, et al. 2024. “A Population of Neutron Star Candidates in Wide Orbits from Gaia Astrometry.” The Open Journal of Astrophysics 7 (July). https://doi.org/10.33232/001c.121261