Come misurare l’età delle stelle

Uno studio recente su 33 stelle osservate dal satellite Kepler, che presentano delle oscillazioni di tipo solare, ha permesso di determinare con una precisione elevata un insieme di parametri fondamentali che indicano come le stelle persino più vecchie di 11 miliardi possiedono ancora dei pianeti di tipo terrestre. I risultati sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Il nostro gruppo ha già calcolato l’età delle stelle ospiti con simili livelli di accuratezza», spiega l’autore principale di questo lavoro Victor Silva Aguirre del Stellar Astrophysics Centre presso la Aarhus University, in Danimarca. «Ma questo nuovo insieme di stelle che abbiamo attentamente selezionato e che possiede sistemi planetari rappresenta il migliore attualmente disponibile». Misurare l’età delle stelle è un compito assai arduo che gli astronomi moderni devono affrontare. Finora, solo l’età del Sole è stata misurata con una precisione elevata (cioè 4,57 miliardi di anni con una incertezza di più o meno 10 milioni di anni). Oggi, il frutto di una collaborazione internazionale di ricercatori ha portato a determinare con una precisione mai ottenuta prima una serie di parametri quali l’età, il diametro, le densità, la massa e la distanza di ben 33 stelle. In più, questi oggetti possiedono pianeti di tipo terrestre, il che ci fornisce una chiara indicazione che tali pianeti si siano formati nella Via Lattea molto tempo prima della Terra e si stanno ancora formando. Gli astronomi hanno selezionato con cura 33 stelle da un insieme contenente più di 1200 stelle che ospitano esopianeti, così come sono state osservate dal satellite Kepler. Gli oggetti sono stati scelti in modo da essere sufficientemente brillanti per fornire dei risultati con una buona base statistica e con alcune caratteristiche simili a quelle del Sole per permettere un’analisi comparata. Le stelle pulsano, vibrano e risuonano proprio come le onde sonore che si propagano in uno strumento musicale. Questa tecnica avanzata che permette di misurare le “tonalità stellari” è chiamata astrosismologia, un metodo simile a quello utilizzato dai geologi per studiare la struttura interna della Terra per mezzo dei terremoti. Il satellite Kepler ha costantemente misurato minime variazioni di luminosità di 145 mila stelle su un intervallo di tempo pari a poco più di quattro anni. L’analisi di queste variazioni di luce nel corso del tempo fornisce i periodi delle pulsazioni simultanee presenti in ogni stella da cui gli scienziati possono derivare le proprietà basilari delle singole stelle. Conoscere l’età, la dimensione e altri parametri fondamentali delle stelle, è importante se si vuole studiare l’evoluzione su larga scala della nostra galassia e dell’Universo in generale, una disciplina relativamente nuova chiamata “archeologia galattica”, perchè tutti noi vogliamo sapere in definitiva da dove proveniamo. Ad un livello più pratico, potremmo dire che le stelle fungono in gran parte come un reattore di fusione nucleare. Dunque, comprendere meglio quali sono i meccanismi che caratterizzano il motore centrale delle stelle potrebbe aiutarci in futuro a sperimentare nuove tecnologie allo scopo di produrre energia qui sulla Terra. Non è la prima volta che viene determinata con precisione l’età delle stelle. Ma il fatto di utilizzare un insieme così numeroso, osservato con lo stesso strumento (il satellite Kepler), cioè con gli stessi metodi statistici e teorici, ci permette di avere un livello di confidenza più elevato nella precisione dei risultati. Confrontare le stelle potrebbe inoltre rivelarci delle proprietà insolite e finora sconosciute. Quindi con un campione di stelle sempre più grande, almeno così si spera, sarà possibile espandere la nostra conoscenza anche per quegli oggetti che sono troppo deboli per effettuare studi di astrosismologia. Ad esempio, l’elevata precisione con cui è nota l’eta delle stelle può essere correlata alle proprietà della luce: stiamo parlando degli spettri stellari. Ciò ci permette di avere un certo numero di cosiddette “stelle di calibrazione” in modo che gli astronomi possano lavorare a ritroso, partendo cioè dalla spettroscopia delle stelle più deboli fino alla determinazione della loro età. Le 33 stelle selezionate per questo studio non sono tutte simili al Sole, anche se si comportano in gran parte come la nostra stella. Questi oggetti vengono chiamati tecnicamente “oscillatori solari”. «Il termine vuol dire che le stelle esibiscono delle pulsazioni causate dallo stesso meccanismo presente nel Sole: bolle di gas che si muovono su e giù», dice Victor Silva Aguirre. «Queste bolle producono delle onde sonore che si propagano nella struttura interna della stella, rimbalzando avanti e indietro tra gli strati interni più profonde e la superficie, producendo minuscole variazioni della luminosità». I risultati di questo studio hanno fornito dei valori con una precisione senza precedenti. Le proprietà medie sono definite meglio in termini di percentuali: se, ad esempio, una stella ha un’età di 5 miliardi di anni, così come viene calcolato, una percentuale del 14% significa che la sua vera età sarà compresa tra 4,3 e 5,7 miliardi di anni, mentre 1.2% si riferisce al raggio, 1.7% alla densità, 3.3% alla massa e 4.4% alla distanza. Tutte le stelle che sono state studiate da Kepler si trovano in una piccola porzione di cielo vicina alla costellazione del Cigno. Il campione di 33 stelle è distribuito spazialmente tra 100 e 1600 anni luce dal Sole. Se consideriamo che questa piccola area di cielo della Via Lattea è stata analizzata in un breve periodo di tempo, sorge spontanea una domanda: queste 33 stelle sono davvero rappresentative di più di 300 miliardi di stelle della nostra galassia? Secondo gli autori la risposta è “si”. Il satellite Kepler è in grado di fornire due diversi tipi di risultati con lo stesso tipo di misure. Dalle minime variazioni di luminosità della luce stellare si possono dedurre sia i valori astrosismici che l’eventuale presenza di esopianeti in orbita attorno alle stelle. Determinare perciò le proprietà fisiche degli esopianeti sarà possibile solo se conosciamo le caratteristiche fondamentali delle stelle ospiti, ricavati dall’astrosismologia. I due campi dell’astronomia sono strettamente connessi. Certamente, gli astronomi vogliono studiare molte più stelle e per un tempo più lungo, ma per ora si tratta comunque di un grande passo in avanti. In futuro, gli scienziati saranno in grado di studiare insiemi più grandi di stelle con il progetto Kepler2, che esplorerà una regione più grande di cielo, e a partire dal 2017 con il satellite TESS, che osserverà tutto il cielo. Risultati ancora migliori sono attesi dal satellite PLATO che sarà lanciato dall’ESA verso la metà del prossimo decennio. «Uno dei problemi più grandi della ricerca astronomica riguarda la vita extraterrestre: siamo soli? Per iniziare a rispondere a questa domanda, abbiamo bisogno di sapere quanti pianeti come la Terra esistono là fuori e quando si sono formati. Sappiamo che determinare l’età delle stelle, e quindi dei loro pianeti, è estremamente difficile; al momento, abbiamo a disposizione dei valori relativi all’età di una manciata di stelle osservate da Kepler noti con una buona precisione. Ad ogni modo, il nostro lavoro fornisce il primo campione di età stellari determinate con un elevato livello di precisione e in maniera omogenea per una decina di stelle. Le stelle che abbiamo studiato ospitano esopianeti di dimensioni confrontabili con quelle della Terra (tra 0,3 e 15 raggi terrestri) e i nostri risultati ci dicono che per queste stelle ospiti esiste un ampio intervallo di età, ossia più giovani (fino a 0,5 volte l’età del Sole) che più vecchie (fino a 2,5 volte l’età del Sole). Tutto ciò, a parte le dimensioni degli esopianeti, mostra che la formazione di quei corpi celesti di taglia terrestre è avvenuta nel corso della storia della Via Lattea e sta ancora avendo luogo. In realtà, alcuni di questi pianeti avevano un’età pari a quella che ha oggi la Terra, al tempo cioè in cui si formò il nostro pianeta. Di per sé, è un risultato eccezionale», conclude Victor Silva Aguirre.
di Corrado Ruscica (INAF)

 

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