Al centro di ogni stella nana bianca - l'oggetto stellare denso che rimane dopo che una stella ha bruciato la sua riserva di gas combustibile mentre si avvicina alla fine del suo ciclo di vita - si trova un enigma quantistico:mentre le nane bianche aggiungono massa, si riducono di dimensioni, fino a diventare così piccoli e ben compattati da non potersi sostenere da soli, collassando in una stella di neutroni.

Questa sconcertante relazione tra la massa e le dimensioni di una nana bianca, chiamata relazione massa-raggio, è stato teorizzato per la prima volta dall'astrofisico vincitore del premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar negli anni '30. Ora, un team di astrofisici della Johns Hopkins ha sviluppato un metodo per osservare il fenomeno stesso utilizzando i dati astronomici raccolti dallo Sloan Digital Sky Survey e un recente set di dati rilasciato dal Gaia Space Observatory. I set di dati combinati hanno fornito più di 3, 000 nane bianche da far studiare alla squadra.

Un resoconto delle loro scoperte, guidato da Hopkins senior Vedant Chandra, è ora in stampa in Giornale Astrofisico e disponibile online su arXiv.

"La relazione massa-raggio è una spettacolare combinazione di meccanica quantistica e gravità, ma è controintuitivo per noi:pensiamo che quando un oggetto guadagna massa, dovrebbe diventare più grande, "dice Nadia Zakamska, un professore associato nel Dipartimento di Fisica e Astronomia che ha supervisionato gli studenti ricercatori. "La teoria esiste da molto tempo, ma ciò che è notevole è che il set di dati che abbiamo usato è di dimensioni e accuratezza senza precedenti. Questi metodi di misurazione, che in alcuni casi sono stati sviluppati anni fa, all'improvviso funzionano molto meglio e queste vecchie teorie possono finalmente essere messe alla prova".

Il team ha ottenuto i risultati utilizzando una combinazione di misurazioni, includendo principalmente l'effetto del redshift gravitazionale, che è il cambiamento delle lunghezze d'onda della luce dal blu al rosso quando la luce si allontana da un oggetto. È un risultato diretto della teoria della relatività generale di Einstein.

"Per me, la bellezza di questo lavoro è che tutti noi impariamo queste teorie su come la luce sarà influenzata dalla gravità a scuola e nei libri di testo, ma ora vediamo effettivamente quella relazione nelle stelle stesse, " dice lo studente laureato del quinto anno Hsiang-Chih Hwang, che ha proposto lo studio e che per primo ha riconosciuto l'effetto del redshift gravitazionale nei dati.

Il team ha anche dovuto spiegare come il movimento di una stella nello spazio potrebbe influenzare la percezione del suo redshift gravitazionale. Simile a come una sirena dei vigili del fuoco cambia tono in base al suo movimento in relazione alla persona che ascolta, le frequenze luminose cambiano anche a seconda del movimento dell'oggetto che emette luce rispetto all'osservatore. Questo è chiamato effetto Doppler, ed è essenzialmente un "rumore" distraente che complica la misurazione dell'effetto del redshift gravitazionale, afferma il collaboratore dello studio Sihao Cheng, uno studente del quarto anno.

Per tenere conto delle variazioni causate dall'effetto Doppler, il team ha classificato le nane bianche nel loro set campione in base al raggio. Hanno quindi calcolato la media degli spostamenti verso il rosso di stelle di dimensioni simili, determinando efficacemente che non importa dove si trova una stella stessa o dove si sta muovendo rispetto alla Terra, ci si può aspettare che abbia un redshift gravitazionale intrinseco di un certo valore. Pensalo come una misurazione media di tutti i passi di tutte le autopompe che si muovono in una determinata area in un dato momento:puoi aspettarti che qualsiasi autopompa, non importa in quale direzione si stia muovendo, avrà un passo intrinseco di quel valore medio.

Questi valori di spostamento verso il rosso gravitazionale intrinseco possono essere utilizzati per studiare le stelle osservate nei set di dati futuri. I ricercatori affermano che i prossimi set di dati più grandi e precisi consentiranno un'ulteriore messa a punto delle loro misurazioni, e che questi dati possono contribuire alla futura analisi della composizione chimica delle nane bianche.

Dicono anche che il loro studio rappresenta un entusiasmante progresso dalla teoria ai fenomeni osservati.

"Perché la stella diventa più piccola man mano che diventa più massiccia, anche l'effetto del redshift gravitazionale cresce con la massa, " dice Zakamska. "E questo è un po' più facile da comprendere:è più facile uscire da un ambiente meno denso, oggetto più grande di quello di uscire da un più massiccio, oggetto più compatto. Ed è esattamente quello che abbiamo visto nei dati".

Il team sta persino trovando un pubblico in cattività per le loro ricerche a casa, dove hanno svolto il loro lavoro durante la pandemia di coronavirus.

"Il modo in cui l'ho esaltato a mio nonno è, stai praticamente vedendo la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein che si uniscono per produrre questo risultato, " Chandra dice. "Era molto eccitato quando l'ho messo in questo modo."