{"id":10466,"date":"2022-06-10T19:58:20","date_gmt":"2022-06-10T17:58:20","guid":{"rendered":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=10466"},"modified":"2024-10-30T12:27:08","modified_gmt":"2024-10-30T11:27:08","slug":"il-ruolo-della-rotazione-stellare-nellemissione-radio","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=10466","title":{"rendered":"Il ruolo della rotazione stellare nell\u2019emissione radio"},"content":{"rendered":"
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\"RotazioneStellare<\/a>
Fotogramma, tratto dal video di Jeffrey C. Chase \u201cHow rotation speed and centrifugal breakout affect star brightness\u201d (UDelaware), che mostra la relazione tra la velocit\u00e0 di rotazione delle stelle massicce e il campo magnetico<\/strong><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Osservando il cielo notturno senza Luna, molte delle stelle che sono visibili a occhio nudo sono stelle normali, ma pi\u00f9 calde, pi\u00f9 massicce e pi\u00f9 brillanti del nostro Sole. L\u2019elevata temperatura di queste stelle le fa brillare di una luce bianco-azzurra<\/em>, inoltre, moltissime di queste stelle possiedono anche un campo magnetico. Si stima che siano circa un quarto quelle che possiedono un campo magnetico misurabile da Terra. La geometria del loro campo magnetico \u00e8 abbastanza semplice. Come per il campo magnetico del nostro pianeta, sulla superficie di queste stelle sono presenti due poli magnetici, ma con intensit\u00e0 molto maggiori del campo magnetico terrestre (tipicamente da duemila a ventimila volte maggiori)<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Come nel caso della Terra, anche per queste stelle il campo magnetico estende la sua influenza su un\u2019ampia regione di spazio intorno alla stella, regione che prende il nome di magnetosfera<\/strong><\/a>. In genere la magnetosfera non \u00e8 vuota, ma piena di gas ionizzato. Nella magnetosfera sono presenti sia ioni positivi che elettroni negativi liberi. Questo tipo di gas altamente ionizzato, ma mediamente neutro, prende il nome di plasma<\/a><\/strong>. Il plasma che circonda le stelle calde<\/em> ha origine dal loro intenso campo di radiazione, che \u00e8 capace di soffiare via parte della materia della superficie stellare<\/em>. Questo fenomeno di perdita di massa da parte delle stelle calde<\/em> e massicce prende il nome di vento stellare<\/a> radiativo<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Le stelle calde e magnetiche sono anche intense sorgenti di emissione radio<\/strong>. La scoperta \u00e8 stata effettuata alla fine degli anni Ottanta utilizzando il VLA<\/strong><\/a>, che aveva solo da pochi anni iniziato la sua straordinaria attivit\u00e0 osservativa. L\u2019emissione radio dalle stelle calde e magnetiche<\/em> viene prodotta da elettroni che si muovono all\u2019interno delle loro magnetosfere a velocit\u00e0 prossime a quelle della luce. La radiazione elettromagnetica emessa dagli elettroni relativistici che si muovono in presenza di un campo magnetico<\/em> prende il nome di radiazione di giro-sincrotrone<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Le temperature delle stelle calde e magnetiche<\/em> per le quali \u00e8 stata misurata la luminosit\u00e0 alle radio frequenze copre un intervallo che spazia da circa 9000 fino a circa 25000 gradi kelvin<\/em>. I corrispondenti tipi spettrali<\/strong> si estendono dalle calde stelle di tipo B fino a quelle pi\u00f9 fredde di tipo A<\/strong>. L\u2019origine di questi elettroni molto veloci era stata spiegata grazie alla presenza dei venti stellari. Infatti, a grande distanza dalla superficie, dove il campo magnetico affievolisce la sua intensit\u00e0, la spinta del vento diventa capace di rompere le linee di forza del campo magnetico stesso<\/em>. In queste regioni di rottura del campo ha origine il meccanismo che accelera localmente gli elettroni portandoli a velocit\u00e0 prossime a quelle della luce<\/em>.<\/p>\n\n\n

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Nella foto in alto, Matt Shultz<\/strong> (sx) e Stan Owock<\/strong>i (dx) della University of Delaware. In basso, screenshot catturato da Paolo Leto durante una riunione con gli altri membri del gruppo radio dell\u2019Osservatorio astrofisico Inaf di Catania<\/strong><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Dopo tanti anni di lavoro di ricerca osservativa e teorica portato avanti dai ricercatori dell\u2019Osservatorio e dell\u2019Universit\u00e0 di Catania,<\/strong> ricerca effettuata collezionando un\u2019enorme mole di dati ottenuti misurando l\u2019emissione prodotta alle radiofrequenze da molte stelle calde e magnetiche<\/em> (osservazioni effettuate utilizzando strumenti come il Vla e l\u2019ATCA<\/a><\/strong>) e sviluppando modelli teorici capaci di simulare l\u2019emissione radio dalle magnetosfere<\/em> che circondano questo tipo di stelle, \u00e8 stato compreso che il ruolo del vento stellare sull\u2019origine degli elettroni relativistici<\/strong> andava rivisto. Infatti, osservazioni a diverse bande radio per lunghi intervalli di tempo hanno permesso di localizzare abbastanza fedelmente la distanza dalla superficie stellare in cui vengono accelerati gli elettroni responsabili della radiazione di giro-sincrotrone<\/strong>.
Mentre le stelle pi\u00f9 calde (tipicamente 20mila K) sono in grado di sviluppare un vento stellare abbastanza intenso<\/em>, le stelle con temperature pi\u00f9 basse (tipicamente inferiori a 15mila K) non posseggono un vento stellare abbastanza forte da rompere le linee del campo magnetico<\/em> alla giusta distanza che permette di spiegare le osservazioni alle diverse radio-frequenze. Il vento stellare non pu\u00f2 quindi essere la causa principale che stimola i meccanismi di accelerazione<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Studiando un campione di circa 30 stelle magnetiche di tipo spettrale compreso fra B ed A<\/strong>, la cui emissione radio \u00e8 stata misurata e di cui si posseggono informazioni attendibili dei loro parametri stellari fondamentali (come temperatura, dimensione, periodo di rotazione, distanza dalla Terra, intensit\u00e0 del campo magnetico), \u00e8 stato compreso che la loro luminosit\u00e0 radio dipende da una combinazione di parametri stellari in cui non compare la temperatura della stella<\/strong>. Il parametro fisico da cui dipende la luminosit\u00e0 radio \u00e8 il rapporto fra il flusso magnetico ed il periodo di rotazione<\/em>. Da un punto di vista qualitativo, questo risultato si riassume dicendo che le stelle che hanno una grande flusso magnetico e un breve periodo di rotazione<\/strong> (cio\u00e8 ruotano molto rapidamente) sono anche molto luminose nella banda radio<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

I risultati appena discussi sono riportati all\u2019interno dell\u2019articolo (di cui sono primo autore) Leto et al.<\/em> 2021<\/strong><\/a>, pubblicato dalla rivista Mnras<\/em> a luglio del 2021. Questo articolo \u00e8 il primo di una serie di tre articoli in cui \u00e8 stato definitivamente aggiornato lo scenario che spiega l\u2019origine della radiazione di giro-sincrotrone dalle stelle massicce<\/strong>, calde e magnetiche. Questi risultati nascono dalla collaborazione fra i ricercatori di Catania con Matthew Shultz<\/strong> e Stanley Owocki<\/strong>, ricercatori dell\u2019Universit\u00e0 del Delaware<\/strong> (Usa). La collaborazione \u00e8 nata quando l\u2019articolo del 2021 era ancora in una fase embrionale. La collaborazione con Shultz e Owocki, che in passato avevano affrontato lo studio delle magnetosfere delle stelle B\/A magnetiche utilizzando osservazioni effettuate in bande dello spettro elettromagnetico diverse dalla banda radio, ha permesso di estendere il campione di stelle analizzate e confermare il comportamento generale osservato alle radio-frequenze. L\u2019articolo in questione \u00e8 stato accettato per la pubblicazione sulla rivista Mnras<\/em> ad aprile del 2022 (Shultz et al.<\/em> 2022<\/strong><\/a>). Sempre in aprile del 2022 \u00e8 stato pubblicato anche il terzo articolo (Owocki et al.<\/em> 2022<\/strong><\/a>) in cui viene fornita l\u2019interpretazione teorica dei risultati empirici riportati nei primi 2 articoli.<\/p>\n\n\n

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Magnetosfera di una tipica stella massiccia che emette onde radio<\/strong>. Il campo magnetico ha una semplice geometria di tipo dipolare. L\u2019area grigia rappresenta la regione della magnetosfera in cui il plasma \u00e8 intrappolato dalle linee chiuse del campo magnetico. Alla distanza in cui la forza centrifuga che agisce sul plasma rompe le linee di forza del campo magnetico si origina il meccanismo di breakout centrifugo (Cbo)<\/strong> che accelera gli elettroni rendendoli capaci di emettere onde radio (regione esterna di colore verde)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

I fenomeni fisici capaci di spiegare l\u2019emissione radio dalle magnetosfere delle stelle calde e massicce sono la diretta conseguenza dell\u2019interazione fra il campo magnetico e il plasma circumstellare<\/strong>. L\u2019intenso campo magnetico \u00e8 infatti in grado di forzare il plasma a ruotare con la medesima velocit\u00e0 di rotazione della stella fino a grande distanza dalla superficie stellare<\/em> (decine di raggi stellari). Il plasma \u00e8 quindi soggetto ad una forza centrifuga che cresce all\u2019aumentare della distanza dalla stella<\/em>. Quando la forza del campo magnetico non \u00e8 pi\u00f9 in grado di contrastare la forza centrifuga a cui \u00e8 sottoposto il plasma in co-rotazione con la stella<\/em>, le linee di forza del campo magnetico si rompono<\/em>. Questo fenomeno prende il nome di Centrifugal BreakOut<\/em> (Cbo)<\/strong> e riversa nella regione della magnetosfera in cui si verifica una grande quantit\u00e0 di energia capace di accelerare gli elettroni a velocit\u00e0 prossime a quelle della luce<\/em>, rendendoli quindi capaci di produrre radiazione di giro-sincrotrone<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Nell\u2019articolo di Owocki et al. 2022 \u00e8 stata ricavata la relazione che permette di calcolare la potenza dissipata durante questi breakout<\/em> centrifughi<\/strong>, che hanno luogo continuamente in una regione della magnetosfera ben localizzata, in funzione dei parametri stellari fondamentali. Inoltre, \u00e8 stata stimata l\u2019efficienza con cui la potenza del Cbo viene convertita in luminosit\u00e0 radio monocromatica.<\/strong> L\u2019efficienza di questo meccanismo \u00e8 dell\u2019ordine di 10-19<\/sup>. Non deve sorprendere il fatto che questo valore \u00e8 cos\u00ec piccolo; infatti, utilizzando una similitudine molto semplificata, il breakout<\/em> centrifugo pu\u00f2 essere considerato come il motore di un\u2019auto, mentre la luminosit\u00e0 radio pu\u00f2 essere considerata il \u201cgas di scarico\u201d. La sfortuna degli astronomi \u00e8 che per comprendere il funzionamento del motore possono studiare solo il gas di scarico.<\/p>\n\n\n

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Diagramma in cui viene riportata la luminosit\u00e0 radio monocromatica prodotta dal meccanismo di giro-sincrotrone in funzione della potenza generata dal breakout centrifugo.<\/strong> I simboli azzurri rappresentano i due campioni di stelle massicce analizzate da Leto et al. 2021 e da Shultz et al. 2022. La linea rossa diagonale rappresenta la legge teorica che mette in relazione le due quantit\u00e0 mostrate nel grafico e ricavata da Owocki et al. 2022. I simboli rossi rappresentano le poche stelle ultra-fredde per le quali \u00e8 stato possibile ricavare in maniera non ambigua la luminosit\u00e0 radio prodotta dall\u2019emissione di giro-sincrotrone e che posseggono anche informazioni attendibili dei parametri stellari, fondamentali per il calcolo della potenza rilasciata dal breakout centrifugo. Il simbolo verde localizza il pianeta Giove (le informazioni relative a Giove ed alle stelle Ucd sono riportate all\u2019interno dell\u2019articolo Leto et al. 2021).<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

La figura mostrata qui a fianco riassume i risultati di questi tre articoli. I simboli azzurri rappresentano i due campioni di stelle analizzati da Leto e da Shultz, la linea diagonale rappresenta la legge che esprime la luminosit\u00e0 radio in funzione della potenza rilasciata a causa del breakout<\/em> centrifugo<\/strong>. Per comprendere se questa legge \u00e8 valida solo per le stelle B\/A magnetiche, oppure pu\u00f2 essere considerata una legge che gode di una validit\u00e0 universale capace di spiegare la luminosit\u00e0 radio delle magnetosfere co-rotanti in generale, nel diagramma sono state riportate anche le posizioni di altri oggetti di interesse astrofisico<\/strong>, ma che sono molto diversi dalle stelle calde e magnetiche. Gli oggetti esaminati sono le stelle ultra-fredde e le nane brune<\/strong>, in generale definite Ultra Cool Dwarfs (Ucd)<\/strong>, simboli in rosso, e il pianeta Giove<\/strong>, simbolo verde. Il pianeta Giove e le UCDs posseggono un campo magnetico<\/em>, che, come nel caso delle stelle magnetiche di tipo B\/A, ha una geometria semplice<\/em>. Sia le stelle ultra-fredde che Giove emettono radiazione di giro-sincrotrone prodotta da elettroni relativistici<\/strong>. La posizione nel diagramma occupata da questi oggetti \u00e8 in accordo con le predizioni della legge teorica. Con le dovute precauzioni legate all\u2019esiguo numero di oggetti analizzati diversi dalle stelle B\/A, si hanno indicazioni convincenti per cui \u00e8 plausibile estendere la validit\u00e0 della legge a tutte le magnetosfere dominate da un campo magnetico stabile e dalla geometria semplice<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Una nuova generazione di strumenti molto sensibili che osserveranno nella banda radio (Ska, MeerKat+, ngVla<\/strong> ecc.) permetter\u00e0 di rivelare l\u2019emissione radio da stelle calde e massicce molto distanti<\/strong>. Questo, ovviamente permetter\u00e0 di estendere il campione di stelle analizzate, ma anche permetter\u00e0 di effettuare una stima indiretta del campo magnetico di stelle molto distanti<\/strong>, misure che allo stato attuale sono impossibili nella banda visibile a causa dalla bassissima luminosit\u00e0 apparente. La banda radio diventer\u00e0 quindi la finestra privilegiata da cui condurre le future ricerche di magnetometria indiretta<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Seppure estremamente importante e interessante, lo studio delle stelle calde e magnetiche<\/strong> non \u00e8 fine a s\u00e9 stesso. Le caratteristiche di stabilit\u00e0 e luminosit\u00e0 di questo tipo di stelle le rende infatti un laboratorio astrofisico ideale per condurre lo studio dei fenomeni fisici che governano le dinamiche dei plasmi in presenza di campi magnetici.<\/strong> La ricerca condotta sulle magnetosfere delle stelle calde e massicce trova un fertile campo di applicazione anche nello studio dei pianeti ed esopianeti magnetici e delle stelle ultra-fredde e nane brune<\/strong>.
Queste ultime rivestono un interesse enorme per la razza umana. Infatti, i dintorni del nostro Sole pullulano di questo tipo di stelle ultra-fredde<\/strong>. Inoltre, il numero di esse che si scopre ospitare sistemi planetari contenenti pianeti di tipo terrestre (alcuni nella fascia di abitabilit\u00e0) cresce costantemente.<\/p>\n\n\n\n

Per saperne di pi\u00f9:<\/strong><\/p>\n\n\n\n