Hubble scopre un raro residuo di fusione di nane bianche

Un team internazionale di astronomi, utilizzando il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, ha scoperto una rarità stellare: una nana bianca ultramassiccia che si è formata quando una nana bianca si è fusa con un’altra stella, piuttosto che attraverso l’evoluzione di una singola stella. Questa scoperta, che è stata resa possibile dalle sensibili osservazioni ultraviolette di Hubble, suggerisce che queste rare nane bianche potrebbero essere più comuni di quanto si sospettasse in precedenza.

Una nana bianca è lo stato finale di una stella che non è abbastanza massiccia da esplodere come una supernova a collasso del nucleo. La transizione verso una nana bianca inizia quando una stella esaurisce la riserva di idrogeno nel suo nucleo.

I cambiamenti all’interno e intorno al nucleo della stella fanno sì che la stella espelle i suoi strati esterni in un enorme sospiro stellare, rivelando il denso nucleo della stella, delle dimensioni della Terra, che si evolve in una nana bianca.

I nuclei delle nane bianche sono per lo più composti da carbonio e ossigeno o ossigeno e neon, a seconda della massa della stella progenitrice.

Il Sole diventerà una nana bianca in circa 5 miliardi di anni.

Le nane bianche possono teoricamente avere masse fino a circa 1,4 volte la massa del Sole, ma le nane bianche che sono più massicce del Sole sono rare.

Questi oggetti, che gli astronomi chiamano nane bianche ultramassicce, possono formarsi attraverso l’evoluzione di una singola stella massiccia o attraverso la fusione di una nana bianca con un’altra stella.

Recentemente, gli astronomi hanno utilizzato lo spettrografo Cosmic Origins di Hubble per studiare una di queste nane bianche ultramassicce, WD 0525+526. WD 0525+526 si trova a soli 128 anni luce di distanza ed è il 20% più massiccio del Sole.

In luce visibile, lo spettro dell’atmosfera di WD 0525+526 assomigliava a quello di una tipica nana bianca. Tuttavia, lo spettro ultravioletto di Hubble ha rivelato qualcosa di insolito: prove di carbonio nell’atmosfera della nana bianca.

Le nane bianche che si formano attraverso l’evoluzione di una singola stella hanno atmosfere composte da idrogeno ed elio.

Queste spesse atmosfere ricoprono la superficie carbonio-ossigeno o ossigeno-neon della nana bianca, impedendo solitamente a questi elementi di apparire nel suo spettro.

Quando il carbonio appare nello spettro di una nana bianca, può segnalare un’origine più violenta rispetto al tipico scenario di una singola stella: la collisione di due nane bianche, o di una nana bianca e una stella subgigante.

Una tale collisione può bruciare le atmosfere di idrogeno ed elio delle stelle in collisione, lasciando dietro di sé uno scarso strato di idrogeno ed elio attorno al resto di fusione che consente al carbonio proveniente dal nucleo della nana bianca di fluttuare verso l’alto, dove può essere rilevato.

“È una scoperta che sottolinea che le cose possono essere diverse da come ci appaiono a prima vista”, ha detto il ricercatore principale del programma Hubble, Boris Gaensicke, dell’Università di Warwick nel Regno Unito.

 “Fino ad ora, questa sembrava una normale nana bianca, ma gli occhi ultravioletti di Hubble hanno rivelato che aveva una storia molto diversa da quella che avremmo immaginato. È come porre a una persona che pensi di conoscere bene un tipo di domanda diversa”.

Questa scoperta segna la prima volta che una nana bianca nata da stelle in collisione è stata identificata dal suo spettro ultravioletto. Prima di questo studio, sei prodotti di fusione di nane bianche sono stati scoperti tramite linee di carbonio nei loro spettri in luce visibile.

Tutti e sette fanno parte di un gruppo più ampio che è risultato essere più blu del previsto per le loro masse ed età da uno studio con la missione Gaia dell’ESA nel 2019, con le prove delle fusioni che forniscono nuove intuizioni sulla loro storia di formazione.

WD 0525+526 è notevole anche all’interno del piccolo gruppo di nane bianche note per essere il prodotto della fusione di stelle.

Con una temperatura di quasi 21.000 kelvin e una massa di 1,2 masse solari, WD 0525+526 è più calda e più massiccia delle altre nane bianche di questo gruppo.

La temperatura estrema del WD 0525+526 rappresentava una sorta di mistero per il team.

Per le nane bianche più fredde, come i sei prodotti di fusione scoperti in precedenza, un processo chiamato convezione può mescolare il carbonio nella sottile atmosfera idrogeno-elio.

Tuttavia, WD 0525+526 è troppo caldo per la convezione. Invece, il team ha determinato che un processo più sottile chiamato semi-convezione porta una piccola quantità di carbonio nell’atmosfera di WD 0525+526. WD 0525+526 ha la più piccola quantità di carbonio atmosferico di qualsiasi nana bianca nota per essere il risultato di una fusione, circa 100.000 volte inferiore rispetto ad altri resti di fusione.

L’alta temperatura e la bassa abbondanza di carbonio significano che identificare questa nana bianca come il prodotto di una fusione sarebbe stato impossibile senza la sensibilità di Hubble alla luce ultravioletta;

Le linee spettrali degli elementi più pesanti dell’elio, come il carbonio, diventano più deboli alle lunghezze d’onda visibili per le nane bianche più calde, ma questi segnali spettrali rimangono luminosi nell’ultravioletto, dove Hubble è in una posizione unica per individuarli.

“Lo spettrografo Cosmic Origins di Hubble è l’unico strumento in grado di ottenere la spettroscopia ultravioletta di qualità superba necessaria per rilevare il carbonio nell’atmosfera di questa nana bianca”, ha detto il capo dello studio Snehalata Sahu dell’Università di Warwick.

Poiché l’origine insolita di WD 0525+526 è stata rivelata solo una volta che gli astronomi hanno intravisto il suo spettro ultravioletto, è probabile che altre nane bianche apparentemente “normali” siano in realtà il risultato di collisioni cosmiche, una possibilità che il team è entusiasta di esplorare in futuro.

“Vorremmo estendere la nostra ricerca su questo argomento esplorando quanto siano comuni le nane bianche al carbonio e quante fusioni stellari si nascondano nella normale famiglia delle nane bianche”, ha detto il co-responsabile dello studio Antoine Bedrad dell’Università di Warwick. 

“Questo sarà un importante contributo alla nostra comprensione delle binarie delle nane bianche e dei percorsi per le esplosioni di supernova”.

L’articolo del team è stato pubblicato su Nature Astronomy.

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