Una “nova” è un fenomeno astronomico che si verifica nei sistemi binari quando una nana bianca priva la sua stella compagna di gas ricco di idrogeno, provocando così una reazione termonucleare fuori controllo sulla sua superficie. Si chiama così perché l’improvviso aumento di luce fa sembrare che sia apparsa una nuova stella nel cielo notturno. Tuttavia, gli ejecta (il materiale espulso) che si formano immediatamente dopo l’esplosione sono estremamente piccoli e finora gli astronomi erano riusciti a dedurre solo le fasi iniziali dell’esplosione con metodi indiretti.
Le novae viste da vicino: il CHARA Array cattura le prime fasi dell’esplosione stellare
In questo contesto, il Centro di Astronomia ad Alta Risoluzione Angolare (CHARA Array ) della Georgia State University è riuscito a ottenere immagini dettagliate delle prime fasi dell’esplosione delle due novae del 2021 mediante osservazioni interferometriche nel vicino infrarosso. Grazie alla combinazione della luce proveniente da diversi telescopi, il CHARA Array è stato in grado di raggiungere una risoluzione spaziale estremamente elevata, con angoli di pochi millisecondi, e di catturare con alta risoluzione fenomeni che cambiano rapidamente nella fase iniziale successiva all’esplosione.
“Si tratta di un’immagine ravvicinata dell’espulsione di materiale da una stella in esplosione”, spiega Gail Schäfer, responsabile dell’array CHARA. Per catturare questi fenomeni transitori, dobbiamo essere flessibili con il nostro programma notturno man mano che vengono scoperti nuovi obiettivi”.
Due esplosioni di nova molto diverse
Schaefer e il suo team hanno osservato due nova: V1674 Herculis e V1405 Cassiopeiae. V1674 è stata una delle nova più veloci mai osservate, raggiungendo il suo massimo di luce visibile in meno di 16 ore dalla sua scoperta e scomparendo rapidamente in pochi giorni. V1405, invece, ha impiegato 53 giorni per raggiungere il suo massimo di luce visibile ed è rimasta luminosa per circa 200 giorni.
Immagini scattate 2,2 giorni (a sinistra) e 3,2 giorni (al centro) dopo l’esplosione causata dalla nova V1674 Herculis. Si sono formati due flussi di ejecta, come indicato dalle frecce. L’illustrazione a destra mostra un’immagine dell’esplosione.
L’immagine di V1674 è stata scattata solo due o tre giorni dopo la sua scoperta. Mostra un’esplosione che chiaramente non è simmetrica dal punto di vista sferico. Ci sono due flussi di ejecta, uno verso nord-est e uno verso sud-ovest, e una struttura ellittica che si estende quasi perpendicolarmente ad essi. Questa è una prova diretta che l’esplosione è stata accompagnata da più ejecta che interagivano tra loro.
Le osservazioni spettroscopiche hanno anche rilevato diversi componenti di velocità nella serie Balmer degli atomi di idrogeno. Mentre la linea di assorbimento prima del picco era di circa 3.800 km/s, il componente apparso dopo il picco ha raggiunto circa 5.500 km/s.
Anche la cronologia di questo fenomeno non è trascurabile. Il nuovo getto è apparso nelle immagini contemporaneamente al rilevamento di raggi gamma ad alta energia da parte del telescopio spaziale Fermi della NASA. La collisione dei diversi flussi di velocità ha formato una potente onda d’urto che ha emesso raggi gamma.
I risultati di V1405 sono stati ancora più sorprendenti. Le prime due osservazioni durante il periodo di massima attività hanno mostrato solo una sorgente centrale brillante e poche eruzioni circostanti. Il diametro del centro è di circa 0,99 millisecondi quadrati, che corrisponde a un raggio di circa 0,85 au (‘au’ è un’unità astronomica; 1 au è la distanza tra la Terra e il Sole) in termini di distanza.
Se lo strato esterno fosse stato espulso all’inizio dell’eruzione, si sarebbe espanso per 53 giorni a un ritmo stimato sulla base di osservazioni spettroscopiche e avrebbe avuto una dimensione di 23-46 au. La grande discrepanza con le misurazioni reali significa che gran parte dello strato esterno non è stato espulso completamente dopo più di 50 giorni. Ciò significa che lo strato esterno della nova è stato considerato in una fase di strato esterno comune che avvolgeva l’intero sistema binario fino al picco di luce visibile.
La terza osservazione ha mostrato un drastico cambiamento nella struttura. La sorgente centrale ora rappresentava solo circa la metà della radiazione totale, mentre il resto proveniva dalla regione espansa. A questo punto, è apparsa un’ampia componente di radiazione, che viaggiava a circa 2.100 km/s, rilevata dal telescopio Fermi e dall’osservatorio Neil Gehrels-Swift della NASA nei raggi gamma e nei raggi X duri, rispettivamente. Il successivo rilascio di materiale ha generato una nuova onda d’urto, che ha portato alla radiazione ad alta energia osservata.
Fisica estrema rivelata da un laboratorio cosmico
La scoperta dimostra che le novae sono molto più complesse di una singola esplosione. Negli ultimi 15 anni di osservazioni con il telescopio Fermi, sono stati rilevati raggi gamma nell’ordine dei gigaelettronvolt provenienti da oltre 20 novae. Le novae non possono più essere considerate laboratori per lo studio delle onde d’urto e dell’accelerazione delle particelle.
In particolare, i risultati di V1405 suggeriscono che il movimento orbitale delle due stelle che compongono la stella binaria attorno all’altra può agire come una forza che spinge verso l’esterno lo strato esterno che è stato gonfiato dall’esplosione. Nelle novae a evoluzione lenta, lo strato esterno in espansione avvolge l’intero sistema binario per diverse settimane. Questi fenomeni offrono una rara opportunità di osservare il processo evolutivo quando due stelle sono molto vicine, proprio davanti ai nostri occhi. Si ritiene che oltre il 10% delle stelle dell’Universo subisca questo processo, ma il meccanismo dettagliato rimane ancora inspiegabile.
Precedentemente considerate semplici esplosioni, le novae si stanno rivelando fenomeni molto più ricchi e affascinanti di quanto si immaginasse. Attraverso una nuova finestra di immagini interferometriche dirette, la vera natura del fenomeno più drammatico dell’universo sta cominciando ad emergere.
