Migliaia di stelle della Via Lattea sono ora sfere di cristallo

Le osservazioni con il satellite Gaia hanno confermato un processo ipotizzato 50 anni fa: i nuclei delle nane bianche cristallizzano, in una trasformazione che interesserà anche il Sole tra 10 miliardi di anni.

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Il processo di cristallizzazione di una nana bianca (elaborazione artistica): anche il Sole sarà così, tra una decina di miliardi di anni. | University of Warwick/Mark Garlick

Gli ultimi scampoli di stelle, ciò che rimane dei più antichi astri dell'Universo, si trasformano in cristalli alla fine della loro vita: questa fase di transizione era già stata ipotizzata cinquant'anni fa, ma ora un gruppo di scienziati britannici ne ha trovate le prove dirette, e pensa che la nostra galassia sia piena di questi "gioielli".

 

Indurite dall'età. L'analisi dei residui di stelle simili al Sole - le nane bianche - compiuta con il satellite dell'ESA Gaia, dimostra che le più antiche di esse, cioè le più avanti nel processo che progressivamente le "spegne", hanno ora un nucleo solido di ossigeno e carbonio: il risultato di un passaggio di fase - termine che descrive fenomeni anche molto comuni, come la transizione che trasforma l'acqua in ghiaccio (ma per le stelle, naturalmente, le temperature in gioco sono ben diverse).

 

Poiché il processo di cristallizzazione comporta un rilascio anomalo di calore, e dal momento che il progressivo calo di temperatura è usato per stimare l'età delle nane bianche, si pensa che le nane bianche studiate finora potrebbero essere più antiche di quanto si pensasse. La ricerca guidata da Pier-Emmanuel Tremblay, fisico dell'Università di Warwick (Regno Unito), è stata appena pubblicata su Nature.

 

Il Sole come una gigante rossa in un'immagine artistica. | Shutterstock

Punti di riferimento. Le nane bianche sono nuclei residui di giganti rosse (il secondo stadio dell'evoluzione stellare, cui è destinato anche il nostro Sole), dopo che queste hanno dissipato tutti gli strati più esterni, e iniziato il processo un graduale processo di raffreddamento che dura miliardi di anni.

 

Poiché il loro ciclo di trasformazioni è oggi ben conosciuto, le nane bianche vengono usate come "orologi cosmici", per stimare l'età delle stelle vicine con un buon livello di precisione.

 

Piccolo atlante dei colori delle stelle

 

Fuori dalle regole. Gli scienziati britannici hanno selezionato quindicimila nane bianche nel raggio di 300 anni luce dalla Terra e ne hanno analizzato luminosità e colore con gli strumenti del satellite GAIA, dell'Agenzia spaziale europea, che sta portando avanti un progetto di mappatura 3D senza precedenti delle stelle della Via Lattea. I dati hanno evidenziato la presenza di un buon numero di nane bianche che non rientravano nei parametri noti di massa ed età stellare, per un'anomalia di temperatura.

 

Come previsto. Quando questi valori anomali sono stati confrontati con i modelli sull'evoluzione stellare, si è capito che le stelle in questione appartengono a un gruppo teorizzato cinquant'anni fa: sono cioè nane bianche che hanno completato la fase di cristallizzazione del nucleo.

 

La cristallizzazione è un processo di passaggio allo stato solido, durante il quale gli atomi formano una struttura ordinata. Le pressioni estreme nei nuclei delle nane bianche separano gli elettroni atomici lasciando nuclei fluidi e a carica positiva circondati da un gas elettricamente carico. Quando il nucleo si raffredda fino a 10 milioni di gradi, l'energia in eccesso viene rilasciata; il nucleo si solidifica formando un cuore metallico rafforzato in carbonio.

 

La Via Lattea si allunga nel cielo riflesso dalle acque della Cable Bay, in Nuova Zelanda. La nostra galassia è piena di sfere di cristallo. | Mark Gee, Insight Investment Astronomy Photographer of the Year

Più vecchie di quel che sembra. L'avvenuta cristallizzazione comporta il rilascio del calore in eccesso: lo stesso osservato da GAIA. Questa vampata di calore rallenta il processo di raffreddamento anche di 2 miliardi di anni (il 15% circa dell'età della Via Lattea). Questo significa che alcune nane bianche ritenute "giovani" perché ancora troppo calde sono in realtà miliardi anni più antiche di quanto credessimo: il rilascio di calore era dovuto soltanto alla cristallizzazione finale.

 

«Tutte le nane bianche cristallizzano a un certo punto della loro evoluzione - spiega Tremblay - anche se le più massive affrontano il processo prima delle altre. Miliardi di nane bianche nella nostra galassia hanno già completato la trasformazione e sono essenzialmente sfere di cristallo nel cielo. Anche il Sole diventerà una nana bianca cristallizzata, tra circa 10 miliardi di anni.»

 

Il conoscitore delle stelle. Il team ha osservato un eccesso di energia addirittura maggiore di quello teorizzato, dovuto, si pensa, al fatto che l'ossigeno nel nucleo si cristallizza per primo e poi "sprofonda", come fosse il sedimento in un fiume. La sua separazione dal carbonio rilascia energia gravitazionale.

 

Le osservazioni di GAIA aiuteranno a stabilire accuratamente l'età delle nane bianche più antiche della Via Lattea, sincronizzando i nostri "orologi" stellari. Prima del satellite dell'Esa, si conoscevano distanza e luminosità precise di 100-200 nane bianche: adesso, di 200.000.

 

9 gennaio 2019 | Elisabetta Intini