La formazione delle stelle è un fenomeno affascinante e complesso che ha catturato l’attenzione degli astronomi per decenni. Recentemente, un gruppo di ricercatori ha confermato un aspetto fondamentale di questo processo: il ruolo dei dischi di accrescimento e dei venti di disco nel superare il problema del momento angolare. Grazie all’utilizzo di avanzati array di radiotelescopi, gli scienziati hanno osservato la dinamica dei venti di disco nei sistemi protostellari, dimostrando che questi venti sono cruciali per facilitare la formazione stellare mitigando le forze rotazionali.
Il vento cosmico rotante
Le nuove osservazioni hanno confermato un passaggio chiave nel processo di formazione stellare: un “vento cosmico” rotante composto da molecole, che è di vitale importanza affinché le nubi di gas in collasso possano contrarsi sufficientemente per formare una giovane stella calda e densa. Il risultato è stato ottenuto da osservazioni radio, combinate con un’analisi sofisticata che ha permesso agli astronomi di esaminare il flusso di materia attorno a una giovane stella nella nube oscura CB26 con un dettaglio senza precedenti. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics.
La soluzione teorica al problema del momento angolare
Le nuove stelle si formano quando il gas in una nube cosmica di idrogeno collassa sotto la propria gravità e la sua temperatura aumenta. Oltre una certa soglia di densità e temperatura, si innesca la fusione nucleare, con i nuclei di idrogeno che si fondono per formare nuclei di elio. L’energia liberata da questo processo è ciò che fa brillare le stelle. Tuttavia, c’è una complicazione. Nessuna nube di gas nel cosmo è perfettamente ferma – tutte le nubi ruotano almeno un po’. Quando il gas si contrae, quella rotazione diventa sempre più veloce. I fisici chiamano questo “conservazione del momento angolare”. Al di fuori dell’astronomia, è noto dal pattinaggio artistico: quando un pattinatore vuole girare molto velocemente, inizia una lenta rotazione con entrambe le braccia e una gamba distese. Poi, tirano gli arti vicino al loro asse di rotazione, e la velocità di rotazione aumenta notevolmente.
Un problema e la sua (potenziale) soluzione
Per la formazione delle stelle, questo rappresenta un potenziale problema. Una rotazione veloce comporta forze centrifughe, che spingono la materia lontano dall’asse di rotazione. Per un giro su una giostra o un carosello, questo fa parte del divertimento: man mano che la giostra ruota, le sedie dei passeggeri sostenute da catene vengono lanciate verso l’esterno. Per una protostella, d’altra parte, le forze centrifughe potrebbero essere fatali: se abbastanza materiale viene espulso mentre la nube collassa e accelera la sua rotazione, potrebbe non esserci abbastanza materiale per formare una protostella in primo luogo!
Questo è noto come il “problema del momento angolare” della formazione stellare. Una soluzione teorica per almeno gran parte del problema è stata trovata negli anni ’80. Mentre ulteriore materia cade sulla nascente protostella centrale, essa forma un cosiddetto disco di accrescimento: un disco piatto rotante di gas e polvere, la cui materia finirà per cadere sulla protostella al centro. La fisica dietro i dischi di accrescimento è piuttosto complessa: parte del gas nel disco diventa un plasma, con gli atomi di idrogeno che si separano in un elettrone e un protone ciascuno.
Mentre il plasma viene fatto ruotare nel disco, crea un campo magnetico. Questo campo a sua volta influenza il flusso di plasma: una piccola quantità di plasma si allontana lungo le linee del campo magnetico. Ogni tanto, le particelle di plasma in deriva collidono con molecole (elettricamente neutre); il risultato è che anche parte del gas molecolare viene trasportato via. Queste molecole costituiscono un “vento di disco”, che può portare via una notevole quantità di momento angolare dal disco. La perdita di momento angolare rallenta la rotazione, riduce le forze centrifughe e potrebbe risolvere il problema del momento angolare della protostella.
Dall’ipotesi all’osservazione
Inizialmente, questo scenario non era altro che un’ipotesi plausibile. Per un osservatore sulla Terra, una struttura come un disco di accrescimento attorno anche alla stella in formazione più vicina è molto piccola. Ecco perché ci sono voluti più di 20 anni agli astronomi per trovare prove provvisorie della rotazione in questo tipo di flusso di massa: nel 2009, Ralf Launhardt e colleghi del Max Planck Institute for Astronomy sono stati in grado di osservare il flusso uscente attorno a una giovane stella nella piccola nube di idrogeno con la designazione CB26. Con una distanza di meno di 460 anni luce dalla Terra, CB26 è uno dei sistemi a disco più vicini conosciuti attorno a una protostella.
Le osservazioni in questione sono state effettuate con radiotelescopi che operano a lunghezze d’onda millimetriche, in questo caso un array di antenne chiamato Plateau de Bure Interferometer. In effetti, tali antenne vengono combinate in modo intelligente in modo da farle agire come un unico, molto più grande piatto radio. I radiotelescopi di questo tipo possono rilevare radiazioni caratteristiche per diversi tipi di molecole – in questo caso, monossido di carbonio (CO). Quando le molecole si muovono verso o lontano dall’osservatore, quella radiazione caratteristica viene spostata verso lunghezze d’onda leggermente più lunghe o più corte (“spostamento Doppler”), che a sua volta consente agli astronomi di tracciare il movimento del gas lungo la linea di vista.
Le osservazioni del 2009 hanno mostrato che il flusso di gas dalla giovane stella era effettivamente in movimento e nel modo giusto che ci si aspetterebbe da un vento di disco rotante che rimuove il momento angolare. Ma non hanno potuto fornire dettagli sufficientemente precisi per consentire un giudizio sulla distanza dalla stella in cui il vento è stato lanciato dal disco – una proprietà chiave (pensa alla “leva”) che determina quanta quantità di momento angolare il flusso di gas può portare via.
Osservare i venti di disco rotanti
I nuovi risultati che sono stati ora pubblicati hanno risolto il caso. Per questo lavoro, Launhardt e colleghi sono stati in grado di effettuare osservazioni con una risoluzione angolare molto più elevata. Hanno utilizzato una configurazione dell’osservatorio Plateau de Bure in cui le antenne radio erano posizionate molto più lontano rispetto alle loro prime osservazioni. Hanno anche utilizzato un sofisticato modello fisico-chimico del disco, che ha permesso loro di distinguere i contributi dal disco e i contributi dal vento di disco.
Tutto ciò ha permesso agli astronomi di individuare le dimensioni del flusso a forma di cono: vicino al disco, l’estremità inferiore del cono ha un raggio di circa 1,5 volte la distanza Terra-Nettuno – più che sufficiente affinché il vento di disco possa portare via molta quantità di momento angolare! Questa è stata la prima volta che tali dimensioni erano state determinate direttamente da immagini (ricostruite).
Con queste misurazioni, l’argomento è stato risolto: i venti di disco possono effettivamente risolvere la maggior parte del problema del momento angolare per le protostelle. Launhardt e colleghi sono stati anche in grado di confrontare la loro misurazione con ricostruzioni indirette delle dimensioni del vento di disco, in altri nove sistemi di stelle giovani e dischi che erano stati pubblicati dal documento del 2009. Il confronto mostra una chiara tendenza per il raggio medio dell’area in cui il vento di disco ha origine sul disco che è cresciuto nel tempo: all’inizio, durante i primi decine di migliaia di anni, ci sono venti di disco altamente concentrati, mentre dopo circa un milione di anni i venti di disco sono molto più diffusi.
Prossimi passi
Gli astronomi stanno già pianificando le loro prossime osservazioni di CB26. Nel frattempo, il Plateau de Bure Interferometer è stato aggiornato. Il nuovo osservatorio, chiamato NOEMA, ha 12 antenne invece delle precedenti 6 e offre configurazioni che possono individuare dettagli due volte più piccoli di quanto potesse fare il suo predecessore. Ma mentre questi perfezionamenti sono molto promettenti, il passo chiave è quello compiuto nell’articolo presente: una conferma solida che i venti di disco sono effettivamente un fattore importante per consentire alle protostelle di formarsi in primo luogo e per risolvere il problema del momento angolare.
