In 5 miliardi di anni o giù di lì, quando il sole ha esaurito l'idrogeno nel suo nucleo, si gonfierà e si trasformerà in una stella gigante rossa. Questa fase della sua vita, e quella di altre stelle fino al doppio della sua massa, è relativamente breve rispetto agli oltre 10 miliardi di anni di vita del sole. La gigante rossa brillerà 1000 volte più luminosa del sole, e improvvisamente l'elio nel profondo del suo nucleo inizierà a fondersi in carbonio in un processo chiamato "lampo di elio del nucleo". Dopodichè, la stella si deposita in 100 milioni di anni di tranquilla fusione dell'elio.

Gli astrofisici hanno previsto questi lampi in teoria e nei modelli per 50 anni, ma nessuno è mai stato osservato. Però, un nuovo studio in Astronomia della natura suggerisce che questo potrebbe presto cambiare.

"Gli effetti del flash del nucleo di elio sono chiaramente previsti dai modelli, ma non abbiamo trovato osservazioni che li riflettano direttamente, " ha affermato il coautore Jørgen Christensen-Dalsgaard, un Simons Distinguished Visiting Scholar presso il Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) della UC Santa Barbara e professore presso l'Università di Aarhus in Danimarca.

Una stella come il sole è alimentata dalla fusione di idrogeno in elio a temperature di circa 15 milioni di K. Elio, però, richiede una temperatura molto più alta dell'idrogeno, circa 100 milioni di K, per iniziare a fondersi in carbonio, quindi si accumula semplicemente nel nucleo mentre un guscio di idrogeno continua a bruciare intorno ad esso. Nel frattempo, la stella si espande ad una dimensione paragonabile all'orbita terrestre. Infine, il nucleo della stella raggiunge le condizioni perfette, innescando una violenta accensione dell'elio:il flash del nucleo di elio. Il nucleo subisce diversi lampi nei successivi 2 milioni di anni, e poi si stabilizza in uno stato più statico in cui procede a bruciare tutto l'elio nel nucleo in carbonio e ossigeno nel corso di circa 100 milioni di anni.

Il flash del nucleo di elio gioca un ruolo fondamentale nella nostra comprensione dei cicli di vita delle stelle di piccola massa. Sfortunatamente, raccogliere dati dai nuclei di stelle lontane è incredibilmente difficile, quindi gli scienziati non sono stati in grado di osservare questo fenomeno.

Il potere dei moderni osservatori spaziali come Kepler, CoRoT e ora il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA promettono di cambiare questa situazione. "La disponibilità di misurazioni molto sensibili dallo spazio ha permesso di osservare sottili oscillazioni nella luminosità di un numero molto elevato di stelle, " ha spiegato Christensen-Dalsgaard.

Il flash del nucleo di elio produce una serie di onde diverse che si propagano attraverso la stella. Questo fa vibrare la stella come una campana, che si manifesta come una debole variazione nella sua luminosità complessiva. Le osservazioni delle pulsazioni stellari hanno già insegnato agli astronomi i processi all'interno delle stelle nello stesso modo in cui i geologi apprendono l'interno della Terra studiando i terremoti. Questa tecnica, noto come asterosismologia, è cresciuto fino a diventare un fiorente campo in astrofisica.

Il flash principale si verifica all'improvviso, e come un terremoto, inizia con un evento molto energetico seguito da una serie di eventi successivamente più deboli nei successivi 2 milioni di anni, un periodo relativamente breve nella vita della maggior parte delle stelle. Come mostrato in un primo documento del 2012 guidato dal direttore del KITP Lars Bildsten e dal Senior Fellow Bill Paxton del KITP, le frequenze di pulsazione di queste stelle sono molto sensibili alle condizioni nel nucleo. Di conseguenza, l'asterosismologia potrebbe fornire agli scienziati informazioni che mettono alla prova la nostra comprensione di questi processi.

"All'epoca eravamo entusiasti che queste nuove capacità spaziali potessero permetterci di confermare questo pezzo di evoluzione stellare a lungo studiato. Tuttavia, non abbiamo considerato la possibilità ancora più eccitante che questi autori hanno esplorato di usare la stella vigorosamente convettiva per far suonare effettivamente la stella, ", ha detto Bildsten.

Lo scopo principale del nuovo studio era determinare se queste regioni lampeggianti potessero eccitare pulsazioni abbastanza grandi da poter essere viste. E dopo mesi di analisi e simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che molti dovrebbero essere relativamente facili da osservare.

"Sono stato sicuramente sorpreso dal fatto che il meccanismo funzionasse così bene, ", ha detto Christensen-Dalsgaard.

Il nuovo e promettente punto di vista dettagliato nell'articolo è che gli astronomi hanno studiato i processi in un tipo di stella molto speciale, e fino ad ora non molto ben compreso, designato come stella B subnana. Questi sono ex giganti rossi che, per ragioni sconosciute, hanno perso la maggior parte del loro strato esterno di idrogeno. Le stelle subnane B offrono agli scienziati un'opportunità unica per sondare più direttamente il nucleo caldo di una stella. Cosa c'è di più, il restante sottile strato di idrogeno non è abbastanza spesso da smorzare le oscillazioni dei ripetuti lampi di nucleo di elio, dando ai ricercatori la possibilità di osservarli potenzialmente direttamente.

Questo studio fornisce le prime informazioni osservative sui complessi processi previsti dai modelli stellari all'accensione della fusione dell'elio. "Questo lavoro ha tratto grande vantaggio da una serie di calcoli fluidodinamici condotti dall'ex laureato KITP Daniel Lecoanet, " ha osservato Bildsten. "Se tutto funziona, queste stelle possono fornire un nuovo banco di prova per questo fondamentale enigma dell'astrofisica".

Christensen-Dalsgaard si è detto desideroso di applicare questi risultati ai dati reali. E infatti, i flash del nucleo di elio potrebbero essere già stati osservati. Molte delle stelle osservate da CoRoT e Kepler mostrano oscillazioni inspiegabili che sembrano simili alle previsioni dei lampi di nucleo di elio. TESS si rivelerà cruciale in questa futura ricerca, Lui ha spiegato, poiché osserverà un'intera striscia di stelle, compresi molti in cui queste pulsazioni possono essere rilevabili. Ciò fornirà ulteriori test sui modelli e un'idea di ciò che il futuro riserva al nostro sole.