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Binari di Sequenze Principali e Nane Bianche: Nascosti in Vista

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Alcuni sistemi di stelle binarie presentano caratteristiche insolite, con una stella principale in sequenza come il nostro Sole e un’altra stella “morta” di tipo nana bianca che ha abbandonato la fusione, emanando solo calore residuo. Quando la stella principale evolve in un gigante rosso, entrambi gli oggetti condividono un comune involucro.

Questa fase dell’involucro comune rappresenta un grande enigma per l’astrofisica e, per comprenderne la dinamica, gli astronomi stanno compilando un catalogo di sistemi binari composti da stelle in sequenza principale e nane bianche.

I sistemi binari con involucro comune (CE) sono fondamentali poiché sono i progenitori delle supernova di tipo Ia. Quando la stella principale si espande in un gigante rosso, la densa e gravitazionalmente potente nana bianca attrae materia dalla sua compagna. Questa materia si accumula sulla superficie della nana bianca fino a raggiungere un punto critico, provocando un’esplosione di supernova.

È importante notare che le binarie CE possono anche fondersi e produrre onde gravitazionali, un altro fenomeno astrofisico che necessita di una comprensione più profonda.

Recenti ricerche condotte dagli astronomi dell’Università di Toronto hanno identificato 52 candidati con alte probabilità di essere sistemi binari CE. Lo studio, intitolato Il Primo Catalogo di Candidati a Binarie Nane Bianche–Sequenza Principale nei Gruppi Stellari Aperti: Una Nuova Prospettiva sull’Evoluzione dell’Involucro Comune, è stato pubblicato sull’Astrophysical Journal.

“Nonostante la sua importanza, l’evoluzione CE potrebbe rappresentare una delle maggiori incertezze nell’evoluzione stellare binaria,” indicano i ricercatori nel loro studio.

“Le stelle binarie giocano un ruolo cruciale nel nostro universo,” affermano i ricercatori. “Questo campione osservazionale rappresenta un primo passo fondamentale per tracciare i cicli di vita completi delle binarie e speriamo ci consenta di chiarire la fase più misteriosa dell’evoluzione stellare.”

In una supernova di tipo Ia, una nana bianca (a sinistra) attrae materia da una stella compagna fino a quando la sua massa supera un limite, scatenando un’esplosione di supernova. Credito Immagine: NASA

Lo studio ha utilizzato enormi set di dati provenienti da tre fonti: la navetta Gaia dell’ESA, il survey Pan-STARRS1 e il survey 2MASS. Il team ha applicato tecniche di apprendimento automatico per esaminare i dati e identificare i candidati a binarie di tipo sequenza principale-nana bianca (MSWD) nei 299 gruppi stellari aperti nella Via Lattea. I gruppi aperti sono stati scelti poiché possono fornire un vincolo indipendente dell’età del sistema, permettendo ai ricercatori di seguire l’evoluzione delle binarie dalla fase CE a quella successiva. Sono stati trovati 52 candidati con alta probabilità in 38 gruppi aperti.

Questo numero rappresenta un enorme incremento rispetto ai noti sistemi binari MSWD. Solo due erano già stati identificati in precedenza. L’apprendimento automatico si rivela uno strumento potente che permette agli astronomi di lavorare con set di dati molto ampi per scoprire risultati difficili da distinguere.

“L’uso dell’apprendimento automatico ci ha aiutato a identificare chiare firme per questi sistemi unici che non saremmo stati in grado di riconoscere facilmente con un numero limitato di dati,” spiega un esperto coinvolto nello studio. “Ci ha anche permesso di automatizzare la nostra ricerca in centinaia di gruppi, un compito impossibile da svolgere manualmente.”

Un altro ricercatore del team sottolinea che i risultati evidenziano quanti oggetti nel nostro universo siano “nascosti in bella vista” se solo avessimo gli strumenti per vederli. Con il miglioramento dei telai di ricerca e dei telescopi, gli strumenti di apprendimento automatico stanno rendendo questi set di dati meno opachi.

Il rintracciamento di candidati MSWD nei gruppi aperti è cruciale.

Un ingrandimento del gruppo di stelle aperte Messier 35. Trovando candidati MSWD nei gruppi aperti, gli astrofisici possono limitare l’età delle binarie. Credito: Wikisky

“Anche se ci sono molti esempi di questo tipo di sistema binario, pochi hanno i vincoli di età necessari per mappare completamente la loro storia evolutiva. Anche se resta molto lavoro da fare per confermare e caratterizzare appieno questi sistemi, i risultati avranno implicazioni in molte aree dell’astrofisica,” afferma un esperto del team.

L’evoluzione dei sistemi CE rimane poco compresa. Gli astrofisici non sanno come venga dissipata l’energia durante la fase CE, né in che modo la metallicità stellare influisca sullo sviluppo del CE, o come i parametri iniziali delle binarie possano predire le configurazioni orbitali post-CE. Queste sono solo alcune delle domande rimaste in sospeso.

Questo studio non può rispondere a tutte queste domande, ma producendo il catalogo più ampio di binarie MSWD, il team sta preparando il terreno per ulteriori progressi.

Il team ha effettuato spettroscopie di follow-up su un sottoinsieme di tre sistemi presso gli osservatori Gemini e Lick, confermando due di essi come binarie MSWD.

Questa figura della ricerca mostra gli spettri di tre candidati MSWD ad alta probabilità. Le linee colorate rappresentano gli spettri, mentre le linee nere sono modelli rappresentativi delle stelle di sequenza M. Gli autori hanno scelto questi tre come campioni rappresentativi del loro catalogo. La parte superiore, relativa ad Alessi12-c1, è una chiara binaria MSWD, mentre le due inferiori sono probabilmente coppie di nanerottoli e nane bianche. Credito Immagine: Grondin et al. 2024.

Hanno anche recuperato curve di luce archiviate da TESS, Kepler e dal Zwicky Transient Facility. Tutti e tre i candidati hanno mostrato chiara variabilità nelle loro curve di luce. Questo potrebbe indicare una rapida rotazione di un nanerottolo o delle modulazioni ellissoidali in una binaria a breve periodo. Tuttavia, i ricercatori avvertono che il catalogo potrebbe essere contaminato, sebbene non significativamente, da nane bianche singole o da binarie MS+MS.

Influenze da spin natalizio potrebbero influenzare i risultati. Molti dei candidati MSWD mostrano offset rispetto ai loro gruppi ospitanti, il che suggerisce che spin natalizi siano stati impartiti al momento della formazione della nana bianca o durante l’espulsione dell’involucro comune. Poiché il 78% dei gruppi aperti osservati non presentava candidati, si ipotizza che alcune binarie MSWD siano state espulse dai loro gruppi da spin natalizi.

“In definitiva, questo catalogo rappresenta un primo passo per ottenere un insieme di parametri osservativi che colleghino meglio i sistemi post-CE ai loro progenitori pre-CE,” scrivono i ricercatori nello studio.

Ulteriori osservazioni spettroscopiche dei candidati aiuteranno a confermarne di più come binarie MSWD. Una ricerca espansa potrebbe anche identificare candidati MSWD espulsi dai loro gruppi a causa di spin natalizi.

Come spesso accade in astronomia e astrofisica, è necessario un numero maggiore di dati prima che i ricercatori possano trarre conclusioni.

“In definitiva, questo catalogo è un passo necessario in un sforzo più ampio per fornire vincoli osservativi sulla fase CE,” concludono i ricercatori, notando che una caratterizzazione dettagliata di alcuni candidati in questo campione è già in fase di attuazione. Un campione più ampio permetterà ai ricercatori di collegare le masse delle binarie post-CE con i progenitori pre-CE.

“Con questi parametri osservativi, questo campione contribuirà a sbloccare importanti nuove intuizioni su una delle fasi più incerte dell’evoluzione binaria,” concludono gli studiosi.

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