Intorduzione

Osservazioni senza precedenti di un’esplosione della nova nel 2018 da parte di un trio di satelliti, tra cui due della NASA, hanno catturato la prima prova diretta che la maggior parte della luce visibile dell’esplosione è nata dalle onde d’urto – bruschi cambiamenti di pressione e temperatura formati dai detriti dell’esplosione.

La Nova

Una nova è un bagliore breve ed improvviso di una stella altrimenti poco appariscente. Si verifica quando un flusso di idrogeno proveniente da una stella compagna scorre sulla superficie di una nana bianca, una cenere stellare compatta non molto più grande della Terra. I telescopi spaziali Fermi e NuSTAR della NASA, insieme al satellite canadese BRITE-Toronto e diverse strutture terrestri, hanno studiato la nova.

Grazie a una nova particolarmente brillante, siamo stati in grado di raccogliere le migliori osservazioni mai viste di una nova fino ad oggi“, ha detto Elias Aydi, astronomo della Michigan State University di East Lansing che ha guidato un team internazionale di 40 istituzioni. “L’eccezionale qualità dei nostri dati ci ha permesso di distinguere i bagliori simultanei sia nella luce ottica che in quella dei raggi gamma, il che fornisce prove come una pistola fumante che le onde d’urto svolgono un ruolo importante nel potenziare alcune esplosioni stellari“.

L’esplosione del 2018 ha avuto origine da un sistema stellare successivamente soprannominato V906 Carinae, che si trova a circa 13.000 anni luce di distanza nella costellazione Carina. Nel tempo – forse decine di migliaia di anni per una cosiddetta nova classica come la V906 Carinae – lo strato di idrogeno della nana bianca raggiunge temperature e pressioni critiche. Quindi scoppia in una reazione furoi controllo che fa esplodere tutto il materiale accumulato.

Ogni esplosione di nova rilascia un totale da 10.000 a 100.000 volte la produzione annua di energia del nostro Sole. Gli astronomi scoprono circa 10 novae ogni anno nella nostra galassia.

Fermi ha rilevato la sua prima nova nel 2010 e ne ha osservate 14 ad oggi. Anche se studi sui raggi X e onde radio avevano mostrato la presenza di onde d’urto nei detriti di Nova nelle settimane successive al raggiungimento del picco di luminosità, la scoperta di Fermi è stata una sorpresa.

I raggi gamma – la forma di energia a più alta energia – richiedono processi che accelerano le particelle subatomiche a energie estreme. Quando queste particelle interagiscono tra loro e con altra materia, producono raggi gamma. Ma gli astronomi non si aspettavano che le Nova fossero abbastanza potenti da produrre il grado di accelerazione richiesto.

Affinchè i raggi gamma compaiono all’incirca nello stesso momento del picco di luce visibile, gli astronomi hanno concluso che le onde d’urto svolgono un ruolo fondamentale nell’esplosione e nelle sue conseguenze.

Studi precedenti

Nel 2015, un articolo condotto da Brian Metzger alla Columbia University di New York ha mostrato come il confronto dei dati dei raggi gamma raccolti dal Fermi con le osservazioni ottiche consentirebbe agli scienziati di imparare di più sulle onde d’urto nova. 

Nel 2017, uno studio condotto da Kwon-Lok ​​Li presso lo Stato del Michigan ha scoperto che i raggi gamma e le emissioni visibili sono aumentati e calati in una nova nota come Sagittarii V5856. Queste onde d’urto producevano più luce dell’eplosione della nana bianca stessa.

V906 Carinae

Credits: NASA

Le nuove osservazioni della V906 Carinae, presentate in un documento guidato da Aydi e pubblicate lunedì 13 aprile, su Nature Astronomy, confermano in modo spettacolare questa conclusione.

Il 20 marzo 2018, l’All-Sky Automated Survey for Supernovae, una serie di due dozzine di telescopi robotici distribuiti in tutto il mondo e gestiti dalla Ohio State University, ha scoperto la nova. Alla fine del mese, V906 Carinae era debolmente visibile ad occhio nudo.

Fortunatamente, un satellite chiamato BRITE-Toronto stava già studiando la zona di cielo della nova. Questo veicolo spaziale in miniatura è uno dei cinque nanosatelliti cubici da 7,9 pollici (20 centimetri) che comprende la Bright Target Explorer (BRITE) Constellation. Gestiti da un consorzio di università provenienti da Canada, Austria e Polonia, i satelliti BRITE studiano la struttura e l’evoluzione delle stelle luminose e osservano come interagiscono con i loro ambienti.

BRITE-Toronto stava monitorando una stella gigante rossa chiamata HD 92063, la cui immagine si sovrapponeva alla posizione della nova. Il satellite ha osservato la stella per 16 minuti su ogni orbita di 98 minuti, restituendo circa 600 misurazioni ogni giorno e catturando la luminosità mutevole della nova con dettagli impareggiabili.

BRITE-Toronto ha rivelato otto brevi flares che si sono accesi nel momento in cui la nova ha raggiunto il suo picco, ognuno quasi raddoppiando la luminosità della nova“, ha detto Kirill Sokolovsky nello stato del Michigan. “Abbiamo visto suggerimenti di questo comportamento nelle misurazioni terrestri, ma mai così chiaramente. Di solito monitoriamo le nova da terra con molte meno osservazioni e spesso con grandi lacune, il che ha l’effetto di nascondere i cambiamenti a breve termine“.

Fermi, d’altra parte, ha quasi perso lo spettacolo. Normalmente il suo telescopio ad ampia area mappa i raggi gamma su tutto il cielo ogni tre ore. Ma quando è comparsa la nova, il team di Fermi era impegnato a risolvere il primo problema hardware del veicolo spaziale in quasi 10 anni di operazioni orbitali per tornare al lavoro appena in tempo per catturare gli ultimi tre flares della nova.

In effetti, V906 Carinae era almeno due volte più luminosa di miliardi di elettroni-volt, o GeV, rispetto a qualsiasi altra nova Fermi abbia osservato. “Quando confrontiamo i dati di Fermi e BRITE, vediamo i flares in entrambi nello stesso momento, quindi devono condividere la stessa fonte – onde d’urto nei detriti in rapido movimento“, ha detto Koji Mukai, astrofisico dell’Università del Maryland Contea di Baltimora e Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Quando guardiamo più da vicino, c’è un’indicazione che i bagliori nei raggi gamma possono condurre i bagliori nel visibile. L’interpretazione naturale è che i bagliori dei raggi gamma hanno guidato i cambiamenti ottici”.

Nebulosa Carina e Nova
V906 Carinae (cerchiata) brilla vicino alla massima luminosità in questa immagine scattata il 23 marzo 2018, tre giorni dopo la scoperta della nova. Credits: Copyright 2018 by A. Maury and J. Fabrega, used with permissio

Il ruolo di NuSTAR

Il team ha anche osservato il bagliore finale dell’esplosione usando il telescopio spaziale NuSTAR della NASA, che è solo la seconda volta che ha rilevato i raggi X durante l’emissione ottica di una nova. L’emissione di raggi gamma GeV della nova ha superato di gran lunga l’emissione di raggi X NuSTAR, probabilmente perché la nova ha assorbito la maggior parte dei raggi X. 

La luce ad alta energia dalle onde d’urto è stata ripetutamente assorbita e riradiata a energie più basse all’interno dei detriti della nova, alla fine sfuggendo solo alle lunghezze d’onda visibili.

Una possibile ricostruzione

Mettendo insieme tutte le osservazioni, Aydi e i suoi colleghi descrivono cosa pensano sia successo quando è scoppiata V906 Carinae. Durante i primi giorni dello scoppio, il movimento orbitale delle stelle ha spazzato una fitta nuvola di detriti fatta di gusci multipli di gas in una forma a ciambella che appariva approssimativamente dalla nostra prospettiva. La nuvola si espanse verso l’esterno a meno di circa 1,3 milioni di mph (2,2 milioni di chilometri orari), paragonabile alla velocità media del vento solare che fuoriesce dal sole.

Successivamente, un deflusso che si muoveva circa due volte più rapidamente si è schiantato in strutture più dense all’interno della ciambella, creando onde d’urto che hanno emesso raggi gamma e luce visibile, inclusi i primi quattro flares.

Alla fine, circa 20 giorni dopo l’esplosione, un deflusso ancora più rapido si è schiantato su tutti i detriti più lenti a circa 5,6 milioni di mph (9 milioni di chilometri orari). Questa collisione ha creato nuove onde d’urto e un altro giro di raggi gamma e bagliori ottici. I deflussi della nova probabilmente sono nati da reazioni di fusione nucleare residue sulla superficie della nana bianca.

Gli astronomi hanno proposto onde d’urto come un modo per spiegare il potere irradiato da vari tipi di eventi di breve durata, come fusioni stellari, supernove – le esplosioni molto più grandi associate alla distruzione delle stelle – e gli eventi di perturbazione delle maree, dove i buchi neri triturano le stelle. Le osservazioni BRITE, Fermi e NuSTAR di V906 Carinae forniscono una registrazione drammatica di tale processo. Ulteriori studi sulle vicine novae serviranno come laboratori per una migliore comprensione dei ruoli delle onde d’urto in altri eventi più potenti e più distanti.

Credits

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi da istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.

NuSTAR è una missione di Small Explorer guidata da Caltech e gestita da JPL per la direzione della missione scientifica della NASA a Washington. NuSTAR è stato sviluppato in collaborazione con l’Università tecnica danese e l’Agenzia spaziale italiana (ASI). La navicella spaziale fu costruita da Orbital Sciences Corp. a Dulles, in Virginia. Il centro operativo della missione NuSTAR è presso l’Università della California Berkeley, e l’archivio dati ufficiale è presso il Centro di ricerca dell’archivio di scienza dell’astrofisica ad alta energia della NASA. ASI fornisce la stazione di terra della missione e un archivio mirror. Caltech gestisce JPL per la NASA.

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