La Nebulosa Formica è un’affascinante nebulosa planetaria bipolare situata a circa 8.000 anni luce nella costellazione meridionale Norma. Con una magnitudine apparente di 13.8 e dimensioni superiori a 50 per 12 arcosecondi, il nome di questa nebulosa deriva dalla sua somiglianza con la testa e il corpo di una formica osservata attraverso telescopi a terra. Questa nebulosa è anche identificata con le designazioni catalogiche Menzel 3 (Mz 3) e ESO 225-9. La sua struttura e il suo aspetto colorato, accompagnati da uno spettro caratteristico, le hanno guadagnato il soprannome di “Camera degli Orrori” delle nebulose planetarie. Come tutte le nebulose planetarie, la Nebulosa Formica è composta da polvere, idrogeno, elio e altri gas che formano una struttura intricata che nasconde la stella progenitrice centrale. Un cloud interstellare di polvere si forma quando una stella di bassa o media massa giunge al termine del proprio ciclo evolutivo, espellendo i propri strati esterni di gas nello spazio. Il materiale espulso forma la nebulosa, mentre il resto stellare, una calda nana bianca, fornisce i fotoni ionizzanti che donano luminosità alla nebulosa.

Credito immagine Nebulosa Formica: Judy Schmidt (CC BY 2.0) Le nebulose planetarie rappresentano le ultime fasi della vita di stelle che non sono sufficientemente massicce da esplodere come supernovae. La Nebulosa Formica anticipa il destino del nostro Sole tra circa 5-6 miliardi di anni. Essa si espande radialmente con una velocità di circa 50 km/s. Questa giovane nebulosa planetaria ha un nucleo luminoso e quattro flussi sferici ad alta velocità: lobi, colonne, raggi e chakram. I lobi bipolari presentano morfologie diverse ma condividono un asse di simmetria comune. Sia i lobi che le grandi nebulosità filamentose esterne sono stati oggetto di ampio studio. Ricerche pubblicate nel 2002 e nel 2006 suggeriscono la presenza di una variabile simbiotica di tipo Mira nel nucleo della nebulosa planetaria. Una nana bianca ionizza la nebulosa, e il compagno binario gigante contribuisce alla densità del gas nella regione centrale della nebulosa. Si ipotizza che la nebulosa si sia evoluta in modo simile alla più nota Nebulosa Twin Jet (M2-9, Butterfly di Minkowski) nella costellazione dell’Ophiuchus. Tuttavia, la velocità dei flussi nella Nebulosa Formica è fino a 10 volte superiore a quella della Nebulosa Twin Jet. Un modello di flusso simile è stato osservato nella variabile blu luminosa Eta Carinae, situata nella vasta Nebulosa Carina nella costellazione Carina. Il chakram è la caratteristica più insolita della Nebulosa Formica. L’ampia e debole ellisse luminosa è stata scoperta nel 2004 in immagini ottenute con il Telescopio Spaziale Hubble e il Telescopio NTT (New Technology Telescope) dell’ESO. Lo stesso studio ha proposto una sequenza temporale di espulsione dei diversi flussi, affermando che i raggi sono stati espulsi per primi, seguiti dalle colonne, e infine dai lobi. Tuttavia, gli autori dello studio hanno notato che alcuni flussi potrebbero essersi verificati simultaneamente. Il chakram si colloca vicino al piano di simmetria della riflessione delle altre caratteristiche della nebulosa, ma è spostato da esso. L’espulsione radiale presenta un modello di espansione che, a differenza dei lobi, colonne e raggi della nebulosa, non segue una legge di Hubble. Il suo centro si trova nel nucleo della nebulosa planetaria e mostra un moto radiale senza aumento di velocità man mano che aumenta il dislocamento radiale dal nucleo della nebulosa. Si ritiene che questa caratteristica sia associata all’evoluzione della stella centrale. Osservazioni condotte con l’Osservatorio Spaziale Herschel dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) hanno fornito una comprensione diversa della struttura della nebulosa rispetto alle immagini visibili girate dal Telescopio Spaziale Hubble della NASA e dell’ESA, rivelando intense emissioni laser provenienti dal nucleo della nebulosa.

Le nebulose planetarie – così chiamate perché alcune di esse assomigliano a un pianeta quando osservate attraverso un piccolo telescopio – si formano nelle fasi finali della vita di stelle simili al Sole. Questa immagine mostra la vista di Chandra di Menzel 3 (Mz3, conosciuta anche come Nebulosa Formica). Nuvole dinamiche allungate avvolgono bolle di gas multimilionario di gradi, generate da venti ad alta velocità delle stelle centrali. Credito immagine: Smithsonian Institution; Raggi X: NASA/CXC/RIT/J.Kastner et al. Uno studio condotto dall’astrofisica Isabel Aleman dell’Osservatorio di Leida nei Paesi Bassi ha suggerito che questo tipo di emissione – emissione laser nella linea di ricombinazione dell’idrogeno – richiede la presenza di gas molto denso vicino alla stella centrale. Il segnale laser nel nucleo della nebulosa amplifica l’emissione osservata di ricombinazione laser dell’idrogeno. La densità del gas al cuore della Nebulosa Formica è stimata in circa diecimila volte superiore a quella rilevata nelle tipiche nebulose planetarie, oltre che nei lobi twin della Nebulosa Formica. Si ritiene che il gas orbiti attorno alla stella in un disco denso. Questo suggerisce che la nana bianca ha un compagno che devia il gas espulso in orbita.

Utilizzando l’Interferometro del Very Large Telescope (VLT) dell’ESO, gli astronomi hanno scoperto un disco nel cuore della Nebulosa Formica. Tuttavia, il disco sembra essere troppo “magra” per spiegare come la nebulosa abbia acquisito la sua affascinante forma simile a una formica. L’immagine a destra mostra una foto dellNebulosa Formica, presa in precedenza, nel mid-infrarosso, con il VISIR (VLT Imager and Spectrometer for the mid-InfraRed). L’immagine a sinistra mostra un modello del disco polveroso che gli astronomi hanno scoperto con lo strumento di interfeometria MID-infrarossa (MIDI), che ha combinato la luce di due telescopi unitari VLT di 8.2 m. La parte inferiore dell’immagine, che rappresenta il lobo meridionale, è più luminosa, poiché questo lobo è più vicino alla nostra linea di vista. L’asse maggiore del disco piatto, quasi in controllo, è perpendicolare all’asse dei lobi bipolari della nebulosa. Il disco si estende per circa 9 volte la distanza media tra la Terra e il Sole (9 Unità Astronomiche o 9 UA) fino a oltre 500 UA. Credito immagine: ESO (CC BY 4.0) Si ritiene che il compagno sia una stella evoluta che sta perdendo massa, la quale viene poi catturata dalla nana bianca compatta, producendo così il disco. La presenza di un sistema binario al centro della Nebulosa Formica è responsabile non solo delle forme complesse della nebulosa, ma anche delle sue proprietà chimiche. L’Herschel Planetary Nebula Survey (HerPlaNS) è stata condotta da un team internazionale di astronomi provenienti dall’Osservatorio di Leida nei Paesi Bassi, dall’Università di Denver e dal Smithsonian Astrophysical Observatory negli Stati Uniti, dal Jodrell Bank Centre for Astrophysics dell’Università di Manchester nel Regno Unito, dall’Università di San Paolo in Brasile, dal Royal Observatory del Belgio, dall’Università di Bonn, dalla Germania, dall’Università Autonoma di Madrid in Spagna, e dall’Istituto di Astronomia e Astrofisica a Taiwan. È stata pubblicata nei Monthly Notices of the Royal Astronomical Society nel 2018.

Fatti

La Nebulosa Formica è stata scoperta dall’astronomo americano Donald Menzel nel 1922. Menzel riportò la sua scoperta nel Harvard Bulletin, Vol. 777. Scoprì anche le nebulose planetarie Menzel 1 (ESO 135-11) e Menzel 2 (ESO 178-15) nello stesso periodo. Tutte e tre le nebulose si trovano nella costellazione Norma. Curiosamente, Menzel fu il primo a proporre che i laser potessero avvenire nelle nebulose, molto prima della scoperta dei laser nei laboratori. (Il primo laser fu realizzato dall’fisico e ingegnere americano Theodore Maiman nel 1960). Menzel suggerì che l’amplificazione naturale della luce attraverso l’emissione stimolata di radiazione (acronimo per “laser”) potrebbe verificarsi nelle nebulose in determinate condizioni. La Nebulosa Formica fu immortalata per la prima volta dal Telescopio Spaziale Hubble (HST) il 20 luglio 1997 e il 30 giugno 1998. L’immagine fu catturata dalla Wide Field and Planetary Camera 2 dell’Hubble. Essa rivelò la coppia di lobi incandescenti della nebulosa e i modelli simmetrici nel materiale espulso dalla stella centrale. All’epoca, i dati ottenuti con Hubble sfidarono le vecchie idee sulla formazione delle nebulose planetarie.

Questa immagine del Telescopio Spaziale Hubble NASA/ESA rivela il corpo della formica come una coppia di lobi incandescenti che sporgono da una stella simile al Sole, giunta al termine della sua vita. L’espulsione di gas dalla stella al centro di Mz3 mostra modelli simmetrici intriganti, a differenza dei modelli caotici attesi da una normale esplosione. I scienziati che utilizzano il Telescopio Spaziale Hubble desiderano comprendere come una stella sferica possa produrre simmetrie così prominenti e non sferiche nel gas che espelle. Una possibilità è che la stella centrale di Mz3 abbia un compagno che orbita strettamente e che esercita forti forze gravitazionali di marea, modellando il gas espulso. Perché questo funzioni, la stella compagna orbitante dovrebbe essere vicina alla stella centrale, a una distanza simile a quella della Terra dal Sole. A tale distanza, la stella compagna non sarebbe lontana dalla massa enormemente rigonfiata della stella centrale. È anche possibile che la stella centrale abbia consumato il suo compagno, il quale ora orbita al suo interno, molto simile all’anatra nella pancia del lupo nella storia “Pietro e il Lupo.” Una seconda possibilità è che, mentre la stella centrale ruota, i suoi forti campi magnetici si avvolgano in forme complesse. Venti carichi che si muovono a velocità fino a 1000 chilometri al secondo dalla stella sono in grado di seguire le linee di campo contorte nel loro percorso verso lo spazio. Questi venti densi possono essere resi visibili dalla luce ultravioletta della calda stella centrale o da collisioni altamente supersoniche con il gas ambiente, che eccitano il materiale inducendolo alla fluorescenza. Gli astronomi Bruce Balick (Università di Washington) e Vincent Icke (Università di Leiden) utilizzarono Hubble per osservare questa nebulosa planetaria, Mz3, nel luglio 1997 con la camera Wide Field Planetary 2. Un anno dopo, gli astronomi Raghvendra Sahai e John Trauger del Jet Propulsion Lab in California scattarono immagini di Mz3 utilizzando filtri leggermente diversi. Questa immagine intrigante, che è un composito di diversi filtri di ciascuno dei due set di dati, è stata creata dal Team di Eredità di Hubble. Credito immagine: NASA, ESA e il Team di Eredità di Hubble (STScI/AURA); riconoscimento: R. Sahai (Jet Propulsion Lab), B. Balick (Università di Washington)

Posizione

La Nebulosa Formica appare a circa un terzo della distanza tra Gamma2 e Kappa Normae. La gigante di classe K Gamma2 Normae è la stella più brillante della costellazione Norma, ma con una magnitudine di 4.02, rappresenta un obiettivo impegnativo dalle aree soggette a inquinamento luminoso. Kappa Normae è ancora più debole, con magnitudine 4.95. Le stelle brillanti dello Scorpione e del Centauro possono essere utilizzate per l’orientamento. La nebulosa si trova grosso modo a metà strada tra la brillante Shaula (Lambda Scorpii) al pungiglione dello scorpione e Rigil Kentaurus (Alpha Centauri) al piede del Centauro. La Nebulosa Celeste può essere trovata nel punto in cui la linea immaginaria che collega Shaula a Rigil Kentaurus interseca quella che collega Atria, la stella più brillante del Triangolo Australe, e Fang, la stella brillante più meridionale nelle chele dello Scorpione.

La posizione della Nebulosa Formica (Menzel 3), immagine: Stellarium. Il periodo migliore dell’anno per osservare la Nebulosa Formica e altri oggetti del cielo profondo in Norma è nel mese di luglio, quando la costellazione è più alta sopra l’orizzonte durante la sera. A una declinazione di 52° S, la Nebulosa Formica non sorge mai per gli osservatori a nord della latitudine 38° N, e non appare mai alta sopra l’orizzonte per gli osservatori settentrionali a latitudini equatoriali. Nebulosa Formica – Mz 3