Cosa fanno piccoli granelli di polvere di stelle al carburo di silicio, trovato nei meteoriti e più vecchio del sistema solare, hanno in comune con coppie di stelle invecchiate soggette a eruzioni?

Una collaborazione tra due scienziati dell'Arizona State University:il cosmochimico Maitrayee Bose e l'astrofisico Sumner Starrfield, sia della Scuola della Terra che dell'Esplorazione spaziale, ha scoperto la connessione e ha individuato il tipo di esplosione stellare che ha prodotto i grani di polvere di stelle.

Il loro studio è stato appena pubblicato nella Giornale Astrofisico .

I microscopici granelli di carburo di silicio, mille volte più piccoli della larghezza media di un capello umano, facevano parte dei materiali da costruzione che hanno costruito il sole e il sistema planetario. Nato in esplosioni di nova, che sono ripetute eruzioni catastrofiche da parte di certi tipi di stelle nane bianche, i grani di carburo di silicio si trovano oggi incastonati in meteoriti primitivi.

"Il carburo di silicio è uno dei pezzi più resistenti che si trovano nei meteoriti, " ha detto Bose. "A differenza di altri elementi, questi granelli di polvere di stelle sono sopravvissuti immutati da prima che nascesse il sistema solare."

Nascita violenta

Una stella diventa una nova, una "nuova stella", quando improvvisamente si illumina di molte magnitudini. Le novae si verificano in coppie di stelle in cui una stella è calda, residuo compatto chiamato nana bianca. L'altra è una stella gigante fredda così grande che la sua atmosfera esterna estesa fornisce gas alla nana bianca. Quando sulla nana bianca si accumula abbastanza gas, ne consegue un'eruzione termonucleare, e la stella diventa una nova.

Sebbene potente, l'eruzione non distrugge la nana bianca o la sua compagna, così le novae possono eruttare più e più volte, lanciando ripetutamente nello spazio gas e granelli di polvere prodotti nell'esplosione. Da lì i granelli di polvere si fondono con le nubi di gas interstellare per diventare gli ingredienti di nuovi sistemi stellari.

Il sole e il sistema solare sono nati circa 4,6 miliardi di anni fa proprio da una tale nuvola interstellare, seminato con granelli di polvere da precedenti eruzioni stellari da molti diversi tipi di stelle. Quasi tutti i grani originari furono consumati nella fabbricazione del sole e dei pianeti, tuttavia ne restava una piccola frazione. Oggi questi frammenti di polvere di stelle, o grani presolari, possono essere identificati nei materiali del sistema solare primitivo come i meteoriti condritici.

"La chiave che ci ha sbloccato questo è stata la composizione isotopica dei grani di polvere di stelle, " ha detto Bose. Gli isotopi sono varietà di elementi chimici che hanno neutroni extra nei loro nuclei. "L'analisi isotopica ci consente di tracciare le materie prime che si sono unite per formare il sistema solare".

Lei ha aggiunto, "Ogni grano di carburo di silicio porta una firma della composizione isotopica della sua stella madre. Questo fornisce una sonda della nucleosintesi di quella stella, come ha prodotto gli elementi".

Bose ha raccolto dati pubblicati su migliaia di cereali, e ha scoperto che quasi tutti i cereali si raggruppavano naturalmente in tre categorie principali, ciascuno attribuibile a un tipo di stella o un altro.

Ma c'erano circa 30 grani che non potevano essere ricondotti a una particolare origine stellare. Nelle analisi originali, questi grani sono stati segnalati come possibilmente originari di esplosioni di nova.

Ma lo hanno fatto?

Fare polvere di stelle

Come astrofisico teorico, Starrfield utilizza calcoli e simulazioni al computer per studiare vari tipi di esplosioni stellari. Questi includono novae, novae ricorrenti, Esplosioni di raggi X e supernove.

Lavorando con altri astrofisici, stava sviluppando un modello al computer per spiegare i materiali espulsi visti nello spettro di una nova scoperta nel 2015. Poi ha partecipato a un colloquio tenuto da Bose prima che lei si unisse alla facoltà.

"Non avrei continuato a farlo se non avessi ascoltato il discorso di Maitrayee e poi avessi avuto la nostra discussione di follow-up, " ha detto. Questo lo ha portato più a fondo nei dettagli delle eruzioni di nova in generale e su ciò che i grani presolari potrebbero dire su queste esplosioni che li hanno lanciati nello spazio.

Presto è sorto un problema. "Dopo aver parlato con lei, "Starfield ha detto, "Ho scoperto che il nostro modo iniziale di risolvere il problema non era d'accordo né con le osservazioni astronomiche né con i suoi risultati.

"Quindi ho dovuto trovare un modo per aggirare questo."

Si è rivolto a studi multidimensionali sulle esplosioni di nova classiche e ha messo insieme un modo completamente nuovo di eseguire i calcoli del modello.

Ci sono due principali classi di composizione di nova, ha detto Starfield. "Uno è la classe ossigeno-neon su cui ho lavorato per 20 anni. L'altra è la classe carbonio-ossigeno a cui non avevo dedicato molta attenzione". Le designazioni di classe per le novae provengono dagli elementi visti nei loro spettri.

"Il tipo carbonio-ossigeno produce molta polvere come parte dell'esplosione stessa, Starrfield disse. L'idea è che l'esplosione della nova raggiunga il nucleo carbonio-ossigeno della nana bianca, portando tutti questi elementi potenziati e arricchiti in una regione con temperature elevate".

Quella, Egli ha detto, può provocare un'esplosione molto più grande, aggiungendo, "È davvero disordinato. Spara polvere in viticci, fogli, getti, macchie e grumi."

I calcoli di Starrfield hanno fatto previsioni di 35 isotopi, compresi quelli del carbonio, azoto, silicio, zolfo e alluminio, che verrebbe creato dalle esplosioni di nova carbonio-ossigeno.

Si è scoperto che ottenere la giusta proporzione di materiale del nucleo della nana bianca e materiale accresciuto dalla stella compagna era assolutamente necessario affinché le simulazioni funzionassero. Bose e Starrfield hanno quindi confrontato le previsioni con le composizioni pubblicate dei grani di carburo di silicio.

Questo li ha portati a una conclusione alquanto sorprendente. Ha detto Bose, "Abbiamo scoperto che solo cinque dei circa 30 grani potrebbero provenire da novae".

Anche se questo può sembrare un risultato deludente, gli scienziati erano effettivamente contenti. Bose ha detto, "Ora dobbiamo spiegare le composizioni dei grani che non provengono da esplosioni di nova. Ciò significa che c'è una o più fonti stellari completamente nuove da scoprire".

Quindi, guardando l'immagine più grande, lei ha aggiunto, "Abbiamo anche scoperto che le osservazioni astronomiche, simulazioni al computer e misurazioni di laboratorio ad alta precisione dei grani di polvere di stelle sono tutte necessarie se vogliamo capire come si evolvono le stelle. E questo è esattamente il tipo di scienza interdisciplinare in cui la scuola eccelle".