Svelato dal telescopio James Webb uno dei meccanismi di diffusione del carbonio nell’Universo
L'Universo è pieno di Carbonio, elemento fondamentale per la vita e per la formazione dei pianeti di tipo roccioso. Sappiamo che si forma dentro le stelle, ma come viene diffuso nell'intero Universo?
Il carbonio è un elemento fondamentale per la formazione dei pianeti rocciosi e dei sistemi planetari simili al nostro. Sappiamo dove e come si forma, e cioè all’interno delle stelle attraverso reazioni di fusione termonucleare. Meno chiaro è come questo carbonio dall’interno delle stelle si renda poi disponibile in ogni luogo dell’Universo.
Le recenti osservazioni di James Webb del sistema stellare Wolf-Rayet 140 ci offrono la possibilità di dare uno sguardo ad uno di questi meccanismi, peraltro ancora in azione, di diffusione del carbonio.
Le stelle Wolf-Rayet
Le Wolf-Rayet sono stelle con masse superiori alle 20 masse solari e con temperature superficiali comprese tra i 30.000 e i 200.000 gradi Kelvin. A motivo dell’elevata temperatura superficiale emettono soprattutto radiazione ultravioletta e raggi X molli.
Sono stelle molto evolute, nel senso che hanno superato la lunga e stabile fase di sequenza principale, e caratterizzate da perdita di massa per mezzo di intensi venti stellari con velocità dell’ordine di circa 2000 km/s.
La perdita di massa è dell’ordine di centesimi di millesimi della massa del Sole per anno. La massa persa da una stella Wolf-Rayet è inizialmente costituita dall’idrogeno presente in superficie. Con il passare del tempo, la stella per mezzo degli intensi venti stellari si spoglia degli strati più esterni, mettendo in luce quelli più interni e caldi. Pertanto le sue dimensioni diminuiscono e la temperatura superficiale aumenta.
Liberatasi degli strati di idrogeno, via via inizia a soffiare strati più interni ricchi di carbonio e polveri.
La perdita di massa avviene in maniera abbastanza regolare, tranne il caso in cui questa stella abbia una compagna che le orbita attorno. Questo è proprio il caso della Wolf-Rayet 140.
La Wolf-Rayet 140 (WR-140)
La Wolf-Rayet 140 è all’interno della nostra Galassia ad una distanza dalla Terra di circa 5000 anni luce. WR-140 è un sistema binario, cioè un sistema di due stelle (entrambe di tipo Wolf-Rayet) che si sono formate contemporaneamente e che, a motivo della reciproca attrazione gravitazionale, orbitano attorno al comune centro di massa percorrendo orbite ellittiche molto elongate (cioè con elevata eccentricità).
Le due stelle impiegano circa 8 anni per compiere un’orbita attorno al comune centro di massa. Essendo l’orbita molto elongata, durante gli otto anni ci sono dei mesi in cui le due stelle vengono a trovarsi tra loro più vicine. E’ proprio durante questo periodo che i reciproci venti si scontrano e comprimendosi danno vita alla formazione di addensamenti di polvere a forma di guscio ricchi di carbonio. Pertanto, le due stelle della WR-140 perdono sempre massa ma, in prossimità del periastro (il punto dell’orbita di massima vicinanza), lo scontro dei venti è tale da produrre addensamenti di polvere.
Questa intensa perdita di gas e polveri che dura per diversi mesi è tale da produrre un guscio di polveri. Essendo questi gusci di polvere relativamente freddi, e sempre più freddi quelli più lontani, se le osservazioni nella banda del visibile mostrano quelli più vicini, le osservazioni nell’infrarosso, come quelle fatte da James Webb, permettono di osservare anche i più lontani.
Il telescopio James Webb ha osservato ben 17 di questi gusci in espansione, dei quali il più interno formatosi negli ultimi otto anni, mentre il più esterno formatosi circa 17 x 8= 136 anni fa. I precedenti sono probabilmente troppo diffusi e diluiti nel mezzo interstellare per essere ormai visibili.
Per questo motivo la stella risulta circondata da gusci concentrici che per effetto di prospettiva sembrano piuttosto degli anelli. Il più vicino è l’ultimo prodotto e quelli via via più grandi sono stati prodotti precedentemente.
Un efficiente meccanismo di diffusione del Carbonio
Come si nota nell’immagine di copertina, la formazione dei gusci avviene solo da una parte, cioè quella del periastro in cui le stelle sono più vicine, l’altra rimane scura.
Gli anelli più esterni continueranno il loro viaggio nello spazio interstellare arricchendolo di carbonio, uno degli elementi essenziali della vita.
Grazie alle osservazioni del telescopio spaziale James Webb gli astronomi hanno potuto assistere in diretta ad uno dei meccanismi attraverso i quali il carbonio prodotto all’interno delle stelle dalle reazioni di fusione termonucleare viene poi disperso nell’Universo diventando nuovo ingrediente per la formazione di altre stelle e pianeti.
Un aspetto notevole di WR-140 è che la recente osservazione da parte del James Webb segue di circa 13 mesi una precedente osservazione della stessa stella. Mettendo a confronto le due immagini si nota come in soli 13 mesi i gusci si siano visibilmente espansi allontanandosi dalla stella. Considerata la generale lentezza dei processi astrofisici, notare un fenomeno così rapido con evidenti cambiamenti da un anno al successivo è impressionante.