Gli astrofisici hanno finalmente una spiegazione per i violenti sbalzi d'umore di alcuni dei più grandi, le stelle più luminose e rare dell'universo.

Le stelle, chiamate variabili blu luminose, periodicamente esplodono in esplosioni abbaglianti soprannominate "geyser stellari". Queste potenti eruzioni lanciano nello spazio la quantità di materiale di interi pianeti in pochi giorni. La causa di questa instabilità, però, è rimasto un mistero per decenni.

Ora, nuove simulazioni 3D di un team di astrofisici suggeriscono che il movimento turbolento negli strati esterni di una stella massiccia crea densi grumi di materiale stellare. Questi ciuffi catturano l'intensa luce della stella come una vela solare, materiale in eruzione nello spazio. Dopo aver scaricato una massa sufficiente, la stella si calma finché i suoi strati esterni non si riformano e il ciclo ricomincia, il report degli astrofisici online il 26 settembre in Natura .

Identificare la causa dei geyser stellari è significativo perché ogni stella estremamente massiccia trascorre probabilmente parte della sua vita come variabile blu luminosa, afferma il coautore dello studio Matteo Cantiello, ricercatore associato presso il Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute di New York City.

"Questa scoperta rappresenta un importante passo avanti nella comprensione della vita e della morte delle più grandi stelle dell'universo, " dice Cantiello. "Queste stelle massicce, nonostante il loro piccolo numero, determinano in gran parte l'evoluzione delle galassie attraverso i loro venti stellari e le esplosioni di supernova. E quando muoiono, lasciano buchi neri".

Variabili blu luminose, o LBV, sono estremamente rari, con solo una dozzina avvistati all'interno e intorno alla galassia della Via Lattea. Le stelle gigantesche possono superare 100 volte la massa del sole e avvicinarsi al limite teorico di quanto possono diventare massicce le stelle. Gli LBV sono anche eccezionalmente radiosi:i più luminosi brillano con oltre 1 milione di volte la luminosità del sole. Quella luce spinge la materia verso lo spazio perché l'assorbimento e la riemissione di un fotone da parte di un atomo si traduce in una spinta netta verso l'esterno.

Il tiro alla fune tra l'estrema gravità che attira il materiale e l'estrema luminosità che lo spinge fuori è responsabile delle esplosioni del marchio di LBV, gli scienziati credono. L'assorbimento di un fotone da parte di un atomo, però, richiede che gli elettroni siano legati in orbite attorno al nucleo dell'atomo. Nel più profondo, strati più caldi di una stella, la materia si comporta come un plasma con elettroni slegati dagli atomi. Negli strati esterni più freddi, gli elettroni iniziano a ricongiungersi ai loro atomi e possono quindi assorbire nuovamente i fotoni.

Le spiegazioni proposte in precedenza per le esplosioni prevedevano che elementi come l'elio negli strati esterni potessero assorbire abbastanza fotoni per superare la gravità e volare nello spazio come esplosione. ma semplice, i calcoli unidimensionali non hanno confermato questa ipotesi:gli strati esterni non sembravano sufficientemente densi da catturare abbastanza luce da sopraffare la gravità.

Quei semplici calcoli, però, non ha catturato il quadro completo delle complesse dinamiche all'interno di una stella colossale. Cantiello, insieme a Yan-Fei Jiang del Kavli Institute for Theoretical Physics dell'Università della California, Santa Barbara, e i colleghi hanno adottato un approccio più realistico. I ricercatori hanno creato un dettagliato, simulazione tridimensionale al computer di come la materia, il calore e la luce fluiscono e interagiscono all'interno di stelle di grandi dimensioni. I calcoli coinvolti hanno richiesto più di 60 milioni di ore di elaborazione del computer per essere risolti.

Nella simulazione, la densità media degli strati esterni era troppo bassa perché il materiale potesse volare, proprio come previsto dai calcoli unidimensionali. Però, i nuovi calcoli hanno rivelato che la convezione e la miscelazione negli strati esterni hanno determinato che alcune regioni fossero più dense di altre, con alcuni ciuffi abbastanza opachi da essere lanciati nello spazio dalla luce della stella. Tali eruzioni si verificano su scale temporali che vanno da giorni a settimane mentre la stella si agita e la sua luminosità fluttua. Il team stima che tali stelle possono perdere circa 10 miliardi di trilioni di tonnellate di materiale ogni anno, circa il doppio della massa terrestre.

I ricercatori intendono migliorare l'accuratezza delle loro simulazioni incorporando altri effetti come la rotazione della stella, che può rendere più facile il lancio di materiale nello spazio vicino all'equatore in rapida rotazione della stella che vicino ai poli quasi stazionari. (Questo effetto è il motivo per cui la NASA lancia i suoi razzi dalla Florida e dalla California piuttosto che dal Maine o dall'Alaska.)

Migliorare la fedeltà delle simulazioni stellari è fondamentale per ottenere intuizioni astrofisiche, dice Cantiello. Il passaggio da semplice, calcoli unidimensionali per simulazioni 3D complete richiedono più muscoli computazionali e fisica più complessa, ma i risultati valgono la pena. "Abbiamo dovuto implementare tutta questa fisica per vedere, con i nostri occhi, che questo processo, che non ci aspettavamo fosse importante, si sarebbe rivelato essere la chiave per comprendere queste violente eruzioni e l'evoluzione di queste stelle massicce, " lui dice.