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La curiosità del mese

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Nane e cataclismi

La curiosità del mese di novembre 2014 a cura di Tomaso Belloni


Fig. 1 - Rappresentazione artistica del trasferimento di massa all'interno di una binaria cataclismica.
Fig. 1 - Rappresentazione artistica del trasferimento di massa all’interno di una binaria cataclismica.

Nella nostra galassia conosciamo più di 1500 sistemi binari noti come "variabili cataclismiche".
Si tratta di stelle doppie in cui una componente è una stella di tardo tipo spettrale (cioè una stella grande come il sole o più piccola e fredda) e l’altra componente è una nana bianca.
La nana bianca è il risultato della fine della vita di una stella non molto massiccia, come il nostro sole, che non esploderà in una supernova, ma fra qualche miliardo di anni si trasformerà in un oggetto molto caldo e piccolo, della dimensione della terra, appunto una nana bianca.
In una variabile cataclismica (CV, dall’inglese Cataclysmic Variable) le due stelle sono così vicine, con un periodo orbitale al massimo di poche ore, ma che può essere anche meno, che la gravità della nana bianca distorce l’altra stella strappandole materia. La materia "rubata" cade sulla nana bianca (Fig. 1).
Esistono tre tipi principali di CV, a seconda dell’intensità del campo magnetico della nana bianca.
Concentriamoci sul caso più semplice, quello in cui questo campo magnetico non c’è o è molto debole così da essere ininfluente.
La materia, dato che il sistema binario è in rotazione, non cade direttamente sulla nana bianca, ma forma un disco di accrescimento [vedi curiosità di luglio 2012: Attento a non mettere troppo idrogeno! by Tomaso Belloni], dove a poco a poco il gas scende fino a arrivare sulla superficie della nana bianca.
La struttura di questo disco è molto complicata, ma sotto certe condizioni questo disco è instabile.
Questo significa che in alcune CV per un periodo lungo, settimane o mesi, la materia si accumula e non raggiunge la nana bianca, poi improvvisamente le condizioni cambiano e il gas arriva sulla superficie della nana, rendendo il disco e la superficie stessa molto più luminosi.
Questa fase brillante dura per giorni o settimane, fino a spegnersi e a tornare alla normalità.

Fig. 2 - Rappresentazione artistica del satellite della NASA Kepler.
Fig. 2 - Rappresentazione artistica del satellite della NASA Kepler - da MediaInaf del 18/02/2014.

Da terra vediamo un’improvviso aumento della luminosità del sistema, seguito da un ritorno più lento alla luminosità precedente.
Da qui il nome di variabili cataclismiche e, in questo caso particolare, di "novae nane".
Novae perchè hanno degli episodi simili a quelli delle stelle novae (che sono un altro tipo di variabile cataclismica), nane perchè rispetto alle novae classiche i loro "cataclismi" sono molto più deboli.

Fig. 3 - Rappresentazione artistica del campo di vista del satellite Kepler.
Fig. 3 - Rappresentazione artistica del campo di vista del satellite Kepler - Dal sito della NASA dedicato alla missione Kepler.

Si tratta di sistemi interessanti per studiare il fenomeno dei dischi di accrescimento, dato che sono relativamente semplici e, dato che la nana bianca è molto più grande di una stella di neutroni o un buco nero, oggetti molto più esotici, non si presentano tutti gli effetti complessi dovuti alla presenza di un campo gravitazionale estremo.
Alcune novae nane sono oggetti molto brillanti, osservabili facilmente da terra con un telescopio anche piccolo. Sono quindi ottimi oggetti da puntare per gli astronomi dilettanti.
Questo tipo di osservazioni è molto interessante perchè i cultori sono molti e possono osservare molto di più di quanto non sia possibile fare con telescopi più grandi.
Ad esempio la CV chiamata SS Cygni (il nome indica che si trova nella costellazione del Cigno, quindi ben visibile anche dall’Italia), scoperta nel 1896, è stata osservata dai menbri della Associazione Americana di Osservatori di Stelle Variabili (AAVSO) per più di 200mila volte, coprendo più di 800 "cataclismi" del sistema, [per maggiori informazioni vai alla pagina http://www.aavso.org/vsots_sscyg] fornendo una base di dati molto interessante per lo studio delle CV. La sua magnitudine visuale al massimo dei suoi eventi è 8.3, non visibile a occhio nudo, ma facilmente raggiungibile da un piccolo telescopio.
SS Cyg si concede in un evento cataclismico ogni 4-10 settimane e rimane brillante per una settimana o due.
Come dicevo, non è possibile osservare un sistema come questo così spesso con telescopi professionali, il tempo a disposizione è limitato e gli astronomi hanno anche altri oggetti da osservare.

Fig. 4 - Evoluzione temporale di V344 Lyrae in nove mesi di osservazione - un'osservazione al minuto - Si vedono venti cataclismi, alcuni lunghi alcuni corti. 
Il riquadro in alto a destra, mostra un ingrandimento di un evento, dove si vede che la luminosita' della sorgente oscilla in modo molto regolare, un effetto mai osservato prima.
Fig. 4 - Fig. 4 - Evoluzione temporale di V344 Lyrae in nove mesi di osservazione - un’osservazione al minuto - Si vedono venti cataclismi, alcuni lunghi alcuni corti. Il riquadro in alto a destra, mostra un ingrandimento di un evento, dove si vede che la luminosità della sorgente oscilla in modo molto regolare, un effetto mai osservato prima.

Però recentemente c’è stata un’eccezione. Il satellite astronomico Kepler della NASA (Fig. 3), lanciato nel 2009 per scoprire pianeti extrasolari e studiare variabilità stellare, aveva la caratteristica interessante di puntare sempre nella stessa direzione con un campo di vista (Fig. 3) piuttosto ampio con un telescopio ottico.
Oltre a stelle con pianeti extrasolari e stelle variabili, in questo campo era compresa anche la nova nana V344 Lyrae, sistema ben poco noto, che quindi è stata osservata praticamente in modo continuo per un lungo periodo [guarda articolo scientifico in inglese http://iopscience.iop.org/2041-8205/717/2/L113/pdf/apjl_717_2_113.pdf e soprattutto la Fig. 4].
La figura mostra l’evoluzione nel tempo di V344 Lyrae per nove mesi, con un’osservazione ogni minuto!
Si vedono venti "cataclismi", alcuni lunghi alcuni corti.
Il riquadro mostra un ingrandimento di un evento, dove si vede che la luminosità della sorgente oscilla in modo molto regolare, un effetto mai osservato prima.
Questo tipo di dati terrà gli astronomi occupati per un bel po’ di tempo, potendo studiare in dettaglio l’evoluzione temporale per capire più a fondo il fenomeno dell’accrescimento.
Ma questi nove mesi non diminuiscono minimamente l’importanza dell’opera di migliaia di dilettanti statunitensi (e non solo anche l’associazione sudafricana è molto attiva in questo campo)!

Per saperne di più

Animation of an Interacting Binary Star (Cataclysmic Variable) video Youtube - del 13/04/2011 - in inglese.
AAVSO Associazione Americana di Osservatori di Stelle Variabili - SS Cygni - in inglese
La giusta distanza di SS Cygni video Youtube - MediaInaf del 24/05/2013.
Cataclysmic Variable Star V344 Lyrae’s Superhumps video Youtube credit: Kepler-NASA - del 23/05/2011 - in inglese.
Quiescent superhumps detected in the dwarf nova V344 Lyrae by Kepler articolo scientifico - in inglese.

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