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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

Eta Carinae 07 / Il "gonnellino" dell'Homunculus

21 May 2014 08:20 AM – Michele Diodati

Eta Carinae e la sua nebulosa sono senz'altro tra gli oggetti astrofisici più complessi, bizzarri e difficili da comprendere finora scoperti. Tra le varie caratteristiche per le quali non è ancora stata trovata una spiegazione soddisfacente bisogna includere lo strano, disomogeneo anello di "sbuffi" che divide all'equatore i due lobi della nebulosa: il cosiddetto "gonnellino" (skirt) dell'Homunculus.

La cosa difficile da spiegare è che tipo di esplosione o di eruzione stellare, quale sequenza di fenomeni, possa aver generato una nebulosa che presenta caratteristiche apparentemente opposte: i due lobi dell'Homunculus, infatti, suggeriscono una forza esplosiva diretta verso i poli della stella, mentre le formazioni che compongono il gonnellino sembrano getti di materia espulsi dalle latitudini equatoriali di Eta Carinae. Inoltre, le foto dell'Homunculus acquisite con Hubble mostrano chiaramente una raggiera di filamenti rettilinei, che sembrano partire anch'essi dalla regione equatoriale e che si allungano fino alla lontana zona degli outer ejecta. Cosa sono? Quale processo li ha sparati più lontano e più velocemente delle altre strutture equatoriali della nebulosa, se ne condividono l'origine?

Immagine composita acquisita con lo strumento WFPC2 del telescopio Hubble, pubblicata in un articolo del 1998 a firma di Jon Morse e altri. In questa particolare combinazione di filtri il "gonnellino" dell'Homunculus si distingue come una disomogenea raggiera equatoriale, fatta di getti che sembrano originarsi da uno stesso punto centrale e giacere nello stesso piano, nel luogo di congiunzione tra i due lobi della nebulosa. <span class="di">Cortesia: Jon A. Morse et al., The Astronomical Journal, 116:2443–2461, 1998</span>

Immagine composita acquisita con lo strumento WFPC2 del telescopio Hubble, pubblicata in un articolo del 1998 a firma di Jon Morse e altri. In questa particolare combinazione di filtri il "gonnellino" dell'Homunculus si distingue come una disomogenea raggiera equatoriale, fatta di getti che sembrano originarsi da uno stesso punto centrale e giacere nello stesso piano, nel luogo di congiunzione tra i due lobi della nebulosa. <span class="di">Cortesia: Jon A. Morse et al., The Astronomical Journal, 116:2443–2461, 1998</span>

Com'è ovvio, il primo problema da risolvere, per capire cosa fa parte delle strutture equatoriali e quale sia stata la loro evoluzione nel tempo, è quello della datazione. Nel loro classico studio del 1997, "Eta Carinae and its environment", Kris Davidson e Roberta Humphreys, basandosi sulle misurazioni a quell'epoca disponibili del moto proprio degli elementi della nebulosa, affermarono:

C'è la tentazione di attribuire l'intera struttura equatoriale all'Eruzione Minore vista intorno al 1890, uno sviluppo inatteso, se vero!

Inatteso perché faceva venire meno la spiegazione più ovvia. Se, infatti, la struttura equatoriale fosse stata preesistente ai due lobi, sarebbe stato possibile spiegare la forma bipolare dell'Homunculus come il risultato di un'esplosione deflessa verso i poli dalla presenza di un denso anello equatoriale (un toro di materia) intorno alla stella.

In realtà, più di una ricerca ha dimostrato che la nebulosa bipolare e il "gonnellino" sono coevi ed entrambi risalenti alla Grande Eruzione [1]. Tra queste, va annoverata la tesi di dottorato di Bryan Dorland, del 2007: un accurato studio astrometrico, nel quale, utilizzando immagini acquisite negli anni precedenti con il telescopio spaziale Hubble, l'autore riuscì a risalire con un alto livello di precisione alla data di espulsione delle principali strutture equatoriali dell'Homunculus, cioè il frammento nordorientale, il frammento sudoccidentale e la cosiddetta racchetta o ventaglio [2]. Dal totale di 73 posizioni analizzate, la data di espulsione media risultante dai calcoli di Dorland fu 1846,1 ± 4,2 anni, il che riporta a un'epoca pienamente compatibile con la fase iniziale della Grande Eruzione.

Posizioni delle 73 caratteristiche usate per la ricostruzione delle date di eiezione di tre dei principali elementi della struttura equatoriale dell'Homunculus. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

Posizioni delle 73 caratteristiche usate per la ricostruzione delle date di eiezione di tre dei principali elementi della struttura equatoriale dell'Homunculus. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

Dorland calcolò anche le date di espulsione dei getti e delle condensazioni che si trovano al di fuori della nebulosa bipolare (rappresentati schematicamente nell'immagine successiva). In particolare, trovò che la colonna di detriti indicata nella letteratura scientifica con NN aveva una data di origine intorno al 1847, mentre i "muri" Nord e Sud sembravano essere di pochi decenni più antichi. Questa differenza cronologica poteva essere però, secondo l'autore, soltanto apparente:

La misurazione dell'elemento del muro settentrionale ha prodotto come data di espulsione 1832 ± 3, mentre l'elemento del muro meridionale mostra una data di espulsione pari a 1812 ± 2. Questi elementi sembrano far parte tutti della medesima struttura. Ne concludo che la spiegazione più probabile è che queste siano tutte caratteristiche appartenenti alla Grande Eruzione, che decelerano a mano a mano che incontrano materiale più vecchio che si muove più lentamente, proveniente da eventi precedenti.

Schema delle principali strutture dell'Homunculus e degli <i>outer ejecta</i>, indicate con le sigle usate nella letteratura scientifica su Eta Carinae e accompagnate dalle presunte date di espulsione. La regione colorata in verde indica i materiali espulsi secondo Dorland nel corso della Grande Eruzione. Il rombo tratteggiato evidenzia l'area coperta dal rilevatore HRC dello strumento ACS di Hubble, sulle cui immagini sono condotte buona parte delle analisi svolte da Dorland. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

Schema delle principali strutture dell'Homunculus e degli <i>outer ejecta</i>, indicate con le sigle usate nella letteratura scientifica su Eta Carinae e accompagnate dalle presunte date di espulsione. La regione colorata in verde indica i materiali espulsi secondo Dorland nel corso della Grande Eruzione. Il rombo tratteggiato evidenzia l'area coperta dal rilevatore HRC dello strumento ACS di Hubble, sulle cui immagini sono condotte buona parte delle analisi svolte da Dorland. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

L'idea, insomma, è quella di una sorta di tamponamento a catena dei materiali presenti nelle condensazioni più lontane dalla stella, con quelli espulsi nella Grande Eruzione che vengono rallentati diversamente a seconda del gradiente di densità incontrato da ciascuno (il "muro" meridionale sembra più denso di quello settentrionale).

La relazione di questi materiali con il "gonnellino" dell'omunculo era già stata messa in luce da altri autori in passato. Nel 1998, per esempio, in un articolo apparso su The Astronomical Journal, Jon Morse e colleghi scrivevano:

Diverse caratteristiche che si trovano all'esterno dell'Homunculus, compreso il getto NN e le condensazioni verso il contrafforte meridionale, sembrano congiungersi all'indietro con i materiali nel gonnellino equatoriale. [...] Il moto proprio misurato lungo il getto NN indica che i materiali più esterni hanno le velocità più alte. Questa struttura segue la stessa legge di espansione lineare dell'Homunculus e differisce, per esempio, da un getto protostellare per il fatto che il getto NN non è sostenuto da materiale che spinge continuamente da dietro; il getto NN appare balistico.

Sia questo getto sia altri filamenti visibili a raggiera negli outer ejecta appaiono, cioè, come scie cometarie sparate in direzioni diverse da un medesimo "cannone" centrale: Eta Carinae o i suoi dintorni. La materia che compone questi veloci getti dovette essere scagliata in tempi molto rapidi, perché altrimenti non si spiega come il movimento rotatorio della stella non abbia disperso, diffuso e infine cancellato questi strani oggetti. A tal proposito, in un altro studio apparso nel 1997 su The Astronomical Journal, Davidson e colleghi scrissero:

La morfologia bipolare [dell'Homunculus] richiede presumibilmente o la rotazione stellare o una stella compagna ravvicinata, con un periodo di rotazione o un periodo orbitale tra i 30 e i 300 giorni, nel caso di una stella con la massa e le dimensioni di Eta Carinae. Se un elemento radiale negli ejecta si originò nei pressi della stella, allora deve essersi formato entro non più di un decimo del periodo di rotazione o orbitale caratteristico (altrimenti il filamento cometario sarebbe stato disperso in senso azimutale dalla rotazione o dal moto orbitale, a seconda dei dettagli dello scenario).

Ma un'alta velocità di espulsione richiede una rapidissima conversione di enormi quantità di energia radiante in energia cinetica: Davidson e collaboratori ipotizzarono che l'energia richiesta fosse equivalente a quella irradiata addirittura da dieci milioni di Soli, forse molto maggiore.

Proviamo a riassumere le complicate considerazioni fin qui riportate. Le immagini ad alta risoluzione di Hubble mostrano nel piano che divide i due lobi dell'Homunculus, e fino a grandi distanze dalla stella centrale, un'intricata struttura equatoriale fatta di getti, filamenti e oggetti che somigliano a frammenti di disco. Soprattutto la presenza di getti e filamenti rende difficile spiegare l'origine di questa struttura equatoriale: non solo, infatti, non è chiaro quale meccanismo possa aver prodotto i getti così rapidamente da evitare che le "scie" venissero disperse dalla rotazione della stella; ma, in più, occorre spiegare come sia stato possibile trasformare in brevissimo tempo un'immensa quantità di energia radiante nell'energia cinetica necessaria per sparare così lontano e così velocemente i materiali che formano i getti.

Una possibile via d'uscita è supporre che tali materiali non siano stati espulsi direttamente ad alta velocità dalla stella, ma si trovassero già presenti in condensazioni circumstellari all'epoca della Grande Eruzione, allorché la forza dell'esplosione asportò parte di queste condensazioni, sparandole verso lo spazio esterno. Se questo fu il caso, allora il tasso di conversione dell'energia necessario per separare dalla stella questi grossi blocchi gassosi a velocità relativamente modeste scende a "soli" 3,16 milioni di Soli o giù di lì (106,5 L, per usare la notazione tecnica dell'articolo citato). «Successivamente, su scale temporali più rilassate», concludeva lo studio di Davidson e colleghi, «il vento stellare potrebbe aver sviluppato velocità più alte e ablato condensazioni già formate, producendo filamenti radiali di materiale simili a code di cometa».

Alcune delle strutture "equatoriali" lanciate da Eta Carine oltre l'Homunculus, con le probabili date di espulsione. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

Alcune delle strutture "equatoriali" lanciate da Eta Carine oltre l'Homunculus, con le probabili date di espulsione. <span class="di">Cortesia: Bryan Dorland, "An astrometric analysis of eta Carinae's eruptive history using HST WFPC2 and ACS observations", 2007</span>

Note

[1] Per esempio, J.A. Morse et al., "Hubble Space Telescope proper-motion measurements of the η Carinae Nebula", The Astrophysical Journal, 548:L207–L211, 2001.

[2] Si tratta dell'elemento chiamato paddle o fan in inglese. Secondo diversi autori, tra cui lo stesso Dorland, non si tratterebbe di una caratteristica equatoriale reale, ma di un effetto ottico, dovuto a una differente illuminazione di una regione appartenente al lobo lontano dell'Homunculus.

Tag: articoli, Eta Carinae

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