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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

Eta Carinae 06 / Una farfalla nel cuore dell'Homunculus. Anzi no

13 May 2014 03:29 PM – Michele Diodati

La tappa successiva nella ricerca di una comprensione sempre più accurata delle strutture al centro dell'Homunculus fu uno studio dell'ESO a cura di Olivier Chesneau e altri diciassette. Il lavoro, pubblicato nel 2005 su Astronomy & Astrophysics, era basato su osservazioni effettuate a dicembre 2002 e a giugno 2003 con i telescopi da 8,2 metri del Very Large Telescope (VLT) a Cerro Paranal in Cile. Le immagini erano state acquisite nel vicino e nel medio infrarosso, usando due diverse strumentazioni: la camera con ottiche adattive NaCO, attaccata all'ultimo dei quattro telescopi del VLT, e l'interferometro MIDI, usato in combinazione con il primo e il terzo telescopio. In entrambi i casi, erano state raggiunte risoluzioni spaziali elevatissime: fino a 13,25 mas (millesimi di secondo d'arco) per pixel, corrispondenti a 30 unità astronomiche, per le immagini NaCO e circa 150 mas per quelle MIDI.

Ovviamente, anche stavolta Eta Carinae, o meglio i suoi dintorni, mostravano qualcosa che non coincideva con ciò che era stato congetturato fino a quel momento. Ciò che s'imponeva all'attenzione, osservando il centro dell'Homunculus nelle immagini acquisite con il VLT, non era una struttura ad anello – singola, doppia o sconvolta che fosse – ma una suggestiva configurazione a farfalla:

Le immagini mostrano una forma a farfalla altamente strutturata, che è ben delimitata da margini luminosi. (...) I bordi della nebulosa a farfalla sono probabilmente luoghi in cui forti gradienti di densità sono combinati con alte temperature, fornendo le condizioni per un'efficiente formazione di polveri.

Le "ali" della nebulosa a farfalla sono le regioni più chiare. Tutta l'immagine è a contrasto invertito: l'oggetto più luminoso, Eta Carinae, si trova nel cerchio più scuro al centro. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Le "ali" della nebulosa a farfalla sono le regioni più chiare. Tutta l'immagine è a contrasto invertito: l'oggetto più luminoso, Eta Carinae, si trova nel cerchio più scuro al centro. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Gli autori dello studio accennarono anche a una possibile relazione spaziale tra la nebulosa a farfalla da loro osservata e il cosiddetto Little Homunculus, scoperto nel 2003 grazie al telescopio spaziale Hubble:

Una complessa relazione deve esistere tra la nebulosa a infrarossi Farfalla e il Little Homunculus, scoperto da Ishibashi et al. (2003) con lo Hubble Space Telescope, il quale anche si ritiene essere una conseguenza dell'eruzione del 1890. Questa struttura appare nelle righe di emissione alle lunghezze d'onda del visibile, mentre le immagini infrarosse sono dominate dall'emissione di polveri, il che rende difficile confrontare le due geometrie. Tuttavia la somiglianza delle loro estensioni spaziali (circa 2 secondi d'arco) punta probabilmente a una comune origine delle strutture.

La mancanza di indicazioni certe sulla geometria tridimensionale della nebulosa a farfalla rendeva però impossibile andare oltre la semplice ipotesi di una correlazione con l'Homunculus interno.

Immagine a colori della nebulosa a farfalla al centro dell'Homunculus, ottenuta combinando le immagini acquisite con tre diversi filtri nell'infrarosso. Il segmento bianco in basso a destra rappresenta la lunghezza di un secondo d'arco. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Immagine a colori della nebulosa a farfalla al centro dell'Homunculus, ottenuta combinando le immagini acquisite con tre diversi filtri nell'infrarosso. Il segmento bianco in basso a destra rappresenta la lunghezza di un secondo d'arco. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Chesneau e colleghi proposero infine un modello di mineralogia per le polveri diffuse nella regione intorno a Eta Carinae, basato su nove spettri ottenuti con lo strumento MIDI. L'analisi rivelò una predominanza di silicati nella regione dei cosiddetti blob di Weigelt (una struttura di cui parleremo ampiamente in seguito), a nord-ovest di Eta Carinae, mentre la nebulosa a forma di farfalla, a sud-est, sembrava essere dominata da polveri di un ossido di alluminio, il corindone, con formula chimica Al2O3. L'ampia presenza di questo minerale fu fatta risalire, in modo puramente congetturale, al cosiddetto ciclo CNO (carbonio-azoto-ossigeno), che si ritiene sia il meccanismo che alimenta le reazioni nucleari di Eta Carinae.

Il capitolo successivo di questa sorta di telenovela astrofisica fu scritto nel 2006, con uno studio del solito Nathan Smith pubblicato su The Astrophysical Journal. Il lavoro di Smith era basato su una serie di cinque spettri dell'Homunculus, acquisiti a inizio marzo 2005 nel vicino infrarosso con lo spettrografo Phoenix del telescopio Gemini Sud. La risoluzione finale, molto elevata, consentiva di risolvere velocità nell'ordine dei 5 chilometri al secondo.

L'analisi degli spettri rivelò che le pareti dell'Homunculus erano costituite da un sottile strato di idrogeno molecolare (H2). Smith mostrò che queste pareti, nel punto in cui i due lobi si congiungevano, finivano per intersecare la posizione della nebulosa a farfalla vista da Chesneau e altri nello studio del 2005. Ciò dimostrava che la farfalla era in realtà un toro equatoriale – come Smith aveva già sostenuto in passato – e non una struttura nebulare indipendente.

Il riquadro al centro in alto mostra le cinque posizioni dei rilievi spettrografici analizzati nello studio di Smith (le cinque linee oblique), sovrapposti alla presunta nebulosa a forma di farfalla. I cinque riquadri esterni evidenziano che le ali della "farfalla" corrispondono ai vuoti nei "muri" di idrogeno molecolare che formano le pareti esterne dell'Homunculus, vuoti che si trovano in corrispondenza dell'anello equatoriale dove i due lobi si congiungono. L'immagine proverebbe secondo Smith che non esiste una nebulosa a forma di farfalla, ma un toro equatoriale di polveri diffuse intorno a Eta Carinae. Questa struttura non avrebbe inoltre alcuna relazione con il cosiddetto Little Homunculus, la cui diversa estensione spaziale è indicata nell'immagine. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Il riquadro al centro in alto mostra le cinque posizioni dei rilievi spettrografici analizzati nello studio di Smith (le cinque linee oblique), sovrapposti alla presunta nebulosa a forma di farfalla. I cinque riquadri esterni evidenziano che le ali della "farfalla" corrispondono ai vuoti nei "muri" di idrogeno molecolare che formano le pareti esterne dell'Homunculus, vuoti che si trovano in corrispondenza dell'anello equatoriale dove i due lobi si congiungono. L'immagine proverebbe secondo Smith che non esiste una nebulosa a forma di farfalla, ma un toro equatoriale di polveri diffuse intorno a Eta Carinae. Questa struttura non avrebbe inoltre alcuna relazione con il cosiddetto Little Homunculus, la cui diversa estensione spaziale è indicata nell'immagine. <span class="di">Cortesia: O. Chesnau et al., A&A 435, 1043-1061 (2005) </span>

Un punto di vista comune tra le differenti visioni del centro dell'Homunculus proposte da Chesneau e Smith fu raggiunto nel 2011 in un articolo pubblicato su The Astronomical Journal, firmato da Étienne Artigau e altri cinque. Lo studio, che aveva tra i suoi autori anche Nathan Smith e Olivier Chesneau, era basato principalmente sulla comparazione tra diverse immagini dell'Homunculus nel vicino infrarosso: le prime, acquisite tra il 2002 e il 2006 con lo strumento NaCO del Very Large Telescope dell'ESO, e le ultime, ottenute a febbraio 2009 con lo strumento NICI (Near-Infrared Coronagraphic Imager) e le ottiche adattive del telescopio Gemini Sud.

La possibilità di utilizzare immagini ad alta risoluzione prodotte a distanza di alcuni anni le une dalle altre permise di confrontare il moto proprio di un'ampia serie di strutture grandi e piccole all'interno della nebulosa bipolare, in modo da ottenere importanti informazioni sull'origine e la dinamica dell'Homunculus e, in particolare, della sua regione centrale, dove appariva l'intricata struttura identificata come un toro semidistrutto o una nebulosa a forma di farfalla.

Furono isolati in questa regione 67 diversi elementi riconoscibili in entrambe le serie di immagini. Dal confronto del loro moto apparente nei circa sei anni intercorsi tra la prima e la seconda serie di immagini, risultò che la maggior parte degli elementi tracciati convergeva verso due insiemi di date di espulsione, corrispondenti grosso modo agli intervalli temporali della grande e della piccola eruzione del 19° Secolo.

Ricostruzione delle date di espulsione ricavate per 67 elementi appartenenti alla regione centrale dell'Homunculus. Le due parentesi corrispondono agli intervalli temporali della prima e della seconda "eruzione" di Eta Carinae (1838-1858 e 1887-1895). <span class="di">Cortesia: Étienne Artigau et al. 2011 The Astronomical Journal 141 202</span>

Ricostruzione delle date di espulsione ricavate per 67 elementi appartenenti alla regione centrale dell'Homunculus. Le due parentesi corrispondono agli intervalli temporali della prima e della seconda "eruzione" di Eta Carinae (1838-1858 e 1887-1895). <span class="di">Cortesia: Étienne Artigau et al. 2011 The Astronomical Journal 141 202</span>

Alla fine di tanto lavoro di analisi, gli autori provarono a tirare le somme, cercando di chiarire una buona volta che cosa c'è realmente al centro dell'Homunculus. Ma non poterono fare a meno di rilevare che restavano aperte più o meno tutte le possibilità:

Smith (2006) suggerì che la farfalla fa parte di un "toro disgregato", collegato a una regione circolare dove i due lobi dell'Homunculus s'incontrano, nei pressi del piano mediano della configurazione. Quest'idea può probabilmente essere modificata, per renderla ragionevolmente compatibile con le direzioni degli ejecta [= materiali espulsi dalla stella] e le due epoche di espulsione descritte sopra. D'altra parte, i nostri risultati sono quanto meno egualmente compatibili con altre possibilità. Le ricerche moderne (compreso questo lavoro) rivelano una complessa asimmetria, non una struttura circolare, dentro e intorno al piano equatoriale, laddove i lobi, per dirla con un'immagine semplificatrice, si incontrerebbero. Ciò non deve sorprendere, dal momento che non esiste alcuna seria ragione teorica per aspettarsi che vi sia lì una simmetria circolare o latitudinale.

Contro la simmetria gioca per esempio la possibilità – molto concreta, come vedremo in dettaglio più avanti – che Eta Carinae abbia una compagna binaria dall'orbita molto eccentrica. In un simile contesto, i passaggi al periastro (il punto dell'orbita in cui le due stelle sono più vicine) potrebbero essere fonte di forti perturbazioni e caotiche espulsioni di massa da parte della stella primaria, con la conseguenza di produrre una configurazione altrettanto caotica e perturbata nel piano equatoriale della nebulosa bipolare. Del resto, non vi è perfetta simmetria neppure su larga scala, dal momento che i lobi polari dell'Homunculus non sono perfettamente simmetrici né per forma né per orientamento spaziale.

Tutto ciò considerato, le conclusioni dell'articolo, riportate di seguito, sono quanto di più preciso fosse possibile ricavare sulla configurazione al centro dell'Homunculus. La caotica disposizione di nodi, filamenti e vuoti sembra essere proprio un dato reale dello spazio intorno a Eta Carinae, non un semplice artefatto dovuto alla distanza e al punto di vista:

Riassumendo, l'apparire della "nebulosa farfalla" come una struttura singola, coerente, dotata di numerosi lobi o ali oppure come un toro equatoriale era dovuta, dunque, a effetti di proiezione e alla bassa risoluzione usata negli studi precedenti. I nodi o gli agglomerati di nodi sono invece separati tra loro, espulsi primariamente in due epoche differenti e sono orientati apparentemente tra ±10 gradi e ±25 gradi rispetto al piano equatoriale, a una distanza stimata tra le 2000 e le 4000 unità astronomiche dalla stella. Possono essere filamenti cometari o configurazioni simili a getti, associati con i detriti equatoriali sul lato lontano del lobo sudorientale.

La mappa delle posizioni per cui Artigau e colleghi campionarono i moti apparenti, nella struttura di nodi e filamenti che disegna il contorno della "nebulosa farfalla". La lunghezza dei vettori è proporzionale alla velocità misurata. <span class="di">Cortesia: Étienne Artigau et al. 2011 The Astronomical Journal 141 202</span>

La mappa delle posizioni per cui Artigau e colleghi campionarono i moti apparenti, nella struttura di nodi e filamenti che disegna il contorno della "nebulosa farfalla". La lunghezza dei vettori è proporzionale alla velocità misurata. <span class="di">Cortesia: Étienne Artigau et al. 2011 The Astronomical Journal 141 202</span>

Tag: articoli, Eta Carinae

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