Betelgeuse, meno grande e più vicina di quanto si pensasse
Un nuovo studio ricalcola tutti i parametri di Betelgeuse sulla base di una triplice serie di simulazioni astrofisiche. Il risultato è che la supergigante rossa sembra essere un po’ meno gigantesca di quanto indicato da calcoli precedenti e anche un po’ più vicina
Betelgeuse, la supergigante rossa in Orione, è da sempre una delle stelle più osservate e studiate dagli astronomi. Nonostante i quasi 1.500 articoli scientifici che le sono stati dedicati dal 1850 ad oggi, è sorprendente quanto le nostre conoscenze su questa magnifica stella siano ancora imprecise. In particolare, la distanza esatta e il raggio di Betelgeuse sono stati oggetto di una lunga serie di stime, nessuna delle quali è riuscita finora a mettere d’accordo una volta per tutte i ricercatori interessati alla questione.
In questo panorama di studi ampio e variegato, si inserisce un nuovo lavoro, pubblicato il 13 ottobre su The Astrophysical Journal. I sei autori — Meridith Joyce, Shing-Chi Leung, László Molnár, Michael Ireland, Chiaki Kobayashi e Ken’ichi Nomoto — hanno presentato i risultati di una delle più approfondite e complete simulazioni astrofisiche mai dedicate a Betelgeuse.
Joyce e colleghi hanno usato una suite di programmi chiamata MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) per eseguire tre diversi tipi di simulazioni: 1) evolutive, 2) astrosismiche e 3) idrodinamiche. Lo scopo dell’operazione era quello di ottenere la più accurata stima possibile dei parametri stellari e dell’attuale stadio evolutivo di Betelgeuse, fornendo al software di simulazione i dati osservativi più aggiornati e precisi oggi disponibili.
Programmi come MESA sono in grado, infatti, di produrre stime molto affidabili dei parametri stellari che non è possibile ricavare direttamente dalle osservazioni fotometriche, spettroscopiche o interferometriche. Tra essi vi è, per esempio, la massa di una stella isolata come Betelgeuse. In sostanza, il software fa evolvere nel tempo una versione simulata della stella da analizzare, usando come dati di base i parametri noti. Alla fine delle simulazioni, si ottengono i parametri ignoti, all’interno di un quadro generale che deve essere coerente con i dati osservativi disponibili e con le conoscenze astrofisiche ormai acquisite in materia di struttura e dinamiche stellari.
Dall’analisi comparata dei tre diversi tipi di simulazioni svolte è emersa una carta d’identità quasi completa di Betelgeuse, con alcuni dati — diametro e distanza — in contrasto piuttosto netto con i valori proposti nella letteratura scientifica recente.
Tra i risultati più interessanti dello studio, va annoverata la scoperta di una doppia pulsazione, legata al particolare stadio evolutivo in cui Betelgeuse si trova. Che la stella fosse una variabile semiregolare era noto da tempo, ma il lavoro di Joyce e colleghi ridefinisce la durata di uno dei periodi di variabilità già noti e ne aggiunge un terzo. Il periodo di pulsazione fondamentale da essi trovato dura 416 ± 24 giorni, invece dei 388 ± 30 giorni indicati in uno studio del 2006 di altri autori. A questo periodo di variabilità essi ne aggiungono un altro, della durata di 185 ± 14 giorni, che rappresenta il primo tono armonico nei modi di pulsazione di Betelgeuse [1].
Entrambe queste pulsazioni sono generate dal cosiddetto meccanismo k, tipico di stelle giganti e supergiganti uscite dalla sequenza principale. Esso consiste nell’espansione e contrazione periodiche degli strati esterni della stella, dovute a cambiamenti di pressione, temperatura e opacità alla radiazione. È come una sorta di “respirazione” stellare, che si manifesta all’osservazione con variazioni periodiche della luminosità e della velocità radiale.
Betelgeuse presenta anche un terzo periodo di variabilità, della durata di 2050 ± 460 giorni, già identificato da altri autori e dovuto a cause differenti dal meccanismo k. Quali siano queste cause non è chiaro: potrebbe trattarsi di un ciclo legato al moto di celle convettive che risalgono alla superficie stellare oppure dell’esito di interazioni con un’invisibile compagna binaria.
Uno dei dati più attendibili ricavati dalle simulazioni descritte nello studio pubblicato a ottobre riguarda l’attuale stadio evolutivo di Betelgeuse. Secondo i sei autori, la supergigante rossa, avendo da tempo esaurito la sua riserva di idrogeno nucleare, si trova ora nelle fasi iniziali del periodo in cui la luminosità stellare è alimentata dalla fusione dell’elio accumulato nel nucleo [2].
Altri dati ricavati dalle simulazioni sono le stime della massa iniziale e attuale di Betelgeuse. La prima è compresa tra 18 e 21 masse solari, mentre la seconda è compresa tra 16,5 e 19 masse solari [3]. Di queste, circa 6-7 masse solari sono contenute nel nucleo di elio. Si tratta di valori sostanzialmente in buon accordo con i dati forniti da studi precedenti.
Per quanto riguarda il raggio di Betelgeuse, le stime ricavate dalla vasta letteratura scientifica esistente variano tra un minimo di 500 e un massimo di 1.100 raggi solari. Le simulazioni astrosismiche eseguite da Joyce e colleghi pongono, invece, un limite più stringente al raggio di Betelgeuse, che è stimato, con una precisione pari a 3-sigma, in 764 raggi solari, con un margine d’incertezza di 116 raggi solari in più e 62 in meno [4]. Dato che il raggio solare misura 695.700 km, 764 raggi solari corrispondono a 531,5 milioni di km o 3,6 volte la distanza media tra la Terra e il Sole. In altre parole, se Betelgeuse fosse al posto del Sole, il nostro pianeta si troverebbe nelle viscere della stella, e così anche Marte.
La determinazione del raggio di Betelgeuse ha consentito poi agli autori dello studio di ricalcolare la distanza della stella. Ciò è stato possibile perché è noto con precisione il diametro angolare della supergigante, che, misurato con la tecnica dell’interferometria, risulta pari a 42,28 ± 0,43 mas (millesimi di secondo d’arco). Joyce e colleghi hanno ottenuto così una nuova misura dell’angolo di parallasse di Betelgeuse, la prima calcolata a partire da dati astrosismologici. Il valore calcolato è di 5,95 mas con un’incertezza di +0,58 e −0,85 mas, molto simile al valore proposto nel 2007 da van Leeuwen (6,55 mas con un errore ±0,83 mas) dopo aver rianalizzato i dati forniti dal satellite Hipparcos. A un tale angolo di parallasse corrisponde una distanza di 168 parsec, con un errore di +27 e −15 parsec [5]. Si tratta di una distanza nettamente inferiore ai 222 parsec ottenuti di recente attraverso misurazioni astrometriche effettuate con osservazioni nelle onde radio.
Dal nuovo calcolo della distanza di Betelgeuse si ricava anche una stima aggiornata della sua luminosità, che Joyce e colleghi calcolano in 87.000 volte la luminosità solare [6].
Resta un unico parametro che rimane inconciliabile con qualsiasi simulazione e modello stellare: la velocità di rotazione. I dati spettroscopici indicano, infatti, che Betelgeuse ruota a una velocità di almeno 5 km al secondo, incredibilmente elevata per una supergigante, la cui velocità di rotazione tipica non dovrebbe superare 0,1 km al secondo. Per ora, l’unica spiegazione plausibile è che Betelgeuse abbia accresciuto la propria velocità di rotazione in seguito a un trasferimento di momento angolare, causato dalla fusione con un’ipotetica compagna binaria, impietosamente inghiottita dalla supergigante rossa.
Data la sua notevole massa, il destino finale che attende Betelgeuse è già scritto: si compirà con una titanica esplosione di supernova (del tipo II o da collasso del nucleo). Quando ciò accadrà è molto meno chiaro. Tutto dipenderà dalla perdita di massa a cui la stella andrà incontro durante le turbolente fasi finali della sua esistenza, un fattore che al momento non è dato conoscere con precisione.
Note
[1] Una stella è paragonabile a uno strumento musicale che risuona attraverso pulsazioni che si sommano producendo diverse “armonie”. L’astrosismologia è la branca dell’astrofisica che studia la struttura interna di una stella sulla base dei dati ricavati dalle sue pulsazioni, visibili all’osservatore distante come cambiamenti periodici di luminosità. È uno studio che si basa su principi analoghi a quelli con cui gli scienziati studiano la struttura interna della Terra, analizzando le onde prodotte dai terremoti, registrate dai sismografi.
[2] Elio prodotto dalla fusione nucleare dell’idrogeno, che ha sostenuto la luminosità di Betelgeuse durante la sequenza principale, ormai terminata.
[3] 1 massa solare corrisponde a 1,989×10³⁰ kg, equivalente all’incirca a 333.000 volte la massa della Terra.
[4] I valori possibili per il raggio di Betelgeuse sono compresi cioè, per questi autori, tra 702 e 880 raggi solari.
[5] 168 parsec equivalgono a 548 anni luce (o 5,184×10¹⁵ km).
[6] Il valore esatto riportato nello studio è log₁₀ 4,94, cioè 87.096 luminosità solari. Dato che una luminosità solare corrisponde a 3,83×10²⁶ watt, la luminosità di Betelgeuse equivale a circa 3,33×10³¹ watt (33.300 miliardi di miliardi di miliardi di watt).
