Un'immagine al microscopio elettronico di un carburo di silicio delle dimensioni di un micron, SiC, granello di polvere di stelle (in basso a destra) estratto da un meteorite primitivo. La grana della polvere di stelle è ricoperta di sostanze organiche meteoritiche sulla superficie (sporco scuro sul lato sinistro della grana). Tali grani si sono formati più di 4,6 miliardi di anni fa nei venti di raffreddamento persi dalla superficie delle stelle ricche di carbonio di piccola massa verso la fine della loro vita, esemplificato qui (in alto a sinistra) da un'immagine del telescopio spaziale Hubble della stella asintotica del ramo gigante U Camelopardalis. L'analisi di laboratorio di questi minuscoli granelli di polvere fornisce informazioni uniche sulle reazioni nucleari nelle stelle di piccola massa e sulla loro evoluzione. (1 um è un milionesimo di metro.). Credito:NASA, Nan Liu e Andrew Davis
Alcuni meteoriti incontaminati contengono una registrazione degli elementi costitutivi originali del sistema solare, compresi i grani che si sono formati nelle stelle antiche che sono morte prima che si formasse il sole. Una delle maggiori sfide nello studio di questi grani presolari è determinare il tipo di stella da cui proviene ciascun grano.
Nan Liu, professore assistente di ricerca di fisica in Arts &Sciences presso la Washington University di St. Louis, è il primo autore di un nuovo studio in Lettere per riviste astrofisiche che analizza un insieme diversificato di grani presolari con l'obiettivo di realizzare le loro vere origini stellari.
Liu e il suo team hanno utilizzato uno spettrometro di massa all'avanguardia chiamato NanoSIMS per misurare gli isotopi di una serie di elementi tra cui gli isotopi N e Mg-Al in grani di carburo di silicio presolari (SiC). Affinando i loro protocolli analitici e utilizzando anche una sorgente di ioni plasma di nuova generazione, gli scienziati sono stati in grado di visualizzare i loro campioni con una migliore risoluzione spaziale rispetto a quella ottenuta con studi precedenti.
"I grani presilari sono stati incorporati nei meteoriti per 4,6 miliardi di anni e talvolta sono rivestiti con materiali solari sulla superficie, " Liu ha detto. "Grazie alla migliore risoluzione spaziale, il nostro team è stato in grado di vedere la contaminazione da Al attaccata sulla superficie di un grano e di ottenere vere firme stellari includendo segnali solo dal nucleo del grano durante la riduzione dei dati".
Gli scienziati hanno spruzzato i grani usando un raggio ionico per lunghi periodi di tempo per esporre in modo pulito, superfici interne dei grani per le loro analisi isotopiche. I ricercatori hanno scoperto che i rapporti isotopici di N dello stesso grano aumentavano notevolmente dopo che il grano era stato esposto a sputtering ionico esteso.
I rapporti isotopici possono essere misurati raramente per le stelle, ma gli isotopi C e N sono due eccezioni. I nuovi dati sugli isotopi C e N per i grani presolari riportati in questo studio collegano direttamente i grani a diversi tipi di stelle di carbonio in base ai rapporti isotopici osservati di queste stelle.
Immagini NanoSIMS di un grano SiC. Il pannello superiore mostra le immagini scattate con una risoluzione spaziale di ~1 μm, la risoluzione tipica delle analisi precedenti. Il pannello inferiore mostra le immagini ioniche della stessa grana scattate con una risoluzione spaziale di 100 nm, la risoluzione raggiunta in questo studio. Credito:Nan Liu
"I nuovi dati isotopici ottenuti in questo studio sono entusiasmanti per i fisici stellari e gli astrofisici nucleari come me, " ha detto Maurizio Busso, un coautore dello studio che ha sede presso l'Università di Perugia, in Italia. "Infatti, gli "strani" rapporti isotopici di N dei grani di SiC presolari sono stati negli ultimi due decenni una notevole fonte di preoccupazione. I nuovi dati spiegano la differenza tra ciò che era originariamente presente nei grani di polvere di stelle presolari e ciò che era attaccato in seguito, risolvendo così un enigma di lunga data nella comunità".
Lo studio include anche una significativa esplorazione dell'isotopo radioattivo alluminio-26 ( 26 Al), un'importante fonte di calore durante l'evoluzione dei giovani corpi planetari nel primo sistema solare e anche in altri sistemi extra-solari. Gli scienziati hanno dedotto la presenza iniziale di grandi quantità di 26 Al in tutti i grani misurati, come previsto dai modelli attuali. Lo studio ha determinato quanto 26 Al è stato prodotto dalle "stelle madri" dei grani che hanno misurato. Liu e i suoi collaboratori hanno concluso che le previsioni del modello stellare per 26 Al sono troppo alti di almeno un fattore due, rispetto ai dati del grano.
Gli offset del modello di dati probabilmente indicano incertezze nei tassi di reazione nucleare rilevanti, Liu ha notato, e motiverà i fisici nucleari a perseguire misurazioni migliori di queste velocità di reazione in futuro.
I risultati del team collegano alcuni dei grani presolari di questa raccolta a stelle di carbonio poco conosciute con composizioni chimiche peculiari.
I dati isotopici dei grani indicano processi di combustione dell'H che si verificano in tali stelle di carbonio a temperature superiori al previsto. Queste informazioni aiuteranno gli astrofisici a costruire modelli stellari per comprendere meglio l'evoluzione di questi oggetti stellari.
"Man mano che impariamo di più sulle fonti della polvere, possiamo acquisire ulteriori conoscenze sulla storia dell'universo e su come si evolvono i vari oggetti stellari al suo interno, " ha detto Liù.
