Gli astronomi si riferiscono comunemente alle stelle massicce come alle fabbriche chimiche dell'Universo. Generalmente concludono la loro vita in spettacolari supernovae, eventi che forgiano molti degli elementi della tavola periodica. Il modo in cui i nuclei elementali si mescolano all'interno di queste enormi stelle ha un impatto importante sulla nostra comprensione della loro evoluzione prima della loro esplosione. Rappresenta anche la più grande incertezza per gli scienziati che studiano la loro struttura ed evoluzione.

Un team di astronomi guidato da May Gade Pedersen, uno studioso post-dottorato presso il Kavli Institute for Theoretical Physics della UC Santa Barbara, hanno ora misurato la miscelazione interna all'interno di un insieme di queste stelle utilizzando osservazioni di onde dai loro interni profondi. Sebbene gli scienziati abbiano già utilizzato questa tecnica, questo documento segna la prima volta che questo è stato realizzato per un così grande gruppo di stelle in una volta. I risultati, pubblicato in Astronomia della natura , mostrano che la miscelazione interna è molto varia, senza una chiara dipendenza dalla massa o dall'età di una stella.

Le stelle trascorrono la maggior parte della loro vita fondendo idrogeno in elio in profondità nei loro nuclei. Però, la fusione in stelle particolarmente massicce è così concentrata al centro che porta ad un turbolento nucleo convettivo simile a una pentola di acqua bollente. Convezione, insieme ad altri processi come la rotazione, rimuove efficacemente la cenere di elio dal nucleo e la sostituisce con l'idrogeno dall'involucro. Ciò consente alle stelle di vivere molto più a lungo di quanto diversamente previsto.

Gli astronomi credono che questa mescolanza derivi da vari fenomeni fisici, come la rotazione interna e le onde sismiche interne nel plasma eccitato dal nucleo convettivo. Però, la teoria è rimasta in gran parte non vincolata dalle osservazioni poiché si verifica così in profondità all'interno della stella. Detto ciò, esiste un metodo indiretto per scrutare le stelle:l'asterosismologia, lo studio e l'interpretazione delle oscillazioni stellari. La tecnica ha parallelismi con il modo in cui i sismologi usano i terremoti per sondare l'interno della Terra.

"Lo studio delle oscillazioni stellari sfida la nostra comprensione della struttura e dell'evoluzione stellare, " Ha detto Pedersen. "Ci permettono di sondare direttamente gli interni stellari e fare confronti con le previsioni dei nostri modelli stellari".

Pedersen e i suoi collaboratori di KU Leuven, l'Università di Hasselt, e l'Università di Newcastle sono stati in grado di derivare la miscelazione interna per un insieme di tali stelle utilizzando l'asterosismologia. È la prima volta che si realizza un'impresa del genere, ed è stato possibile solo grazie a un nuovo campione di 26 stelle di tipo B a pulsazione lenta con oscillazioni stellari identificate dalla missione Kepler della NASA.

Le stelle di tipo B che pulsano lentamente sono da tre a otto volte più massicce del Sole. Si espandono e si contraggono su scale temporali dell'ordine di 12 ore a 5 giorni, e può cambiare in luminosità fino al 5%. I loro modi di oscillazione sono particolarmente sensibili alle condizioni vicino al nucleo, ha spiegato Pedersen.

"La miscelazione interna all'interno delle stelle è stata ora misurata osservativamente e risulta essere diversa nel nostro campione, con alcune stelle che non si mescolano quasi mentre altre rivelano livelli un milione di volte più alti, " Ha detto Pedersen. La diversità risulta essere estranea alla massa o all'età della stella. Piuttosto, è principalmente influenzato dalla rotazione interna, anche se questo non è l'unico fattore in gioco.

"Questi risultati asterosismici consentono finalmente agli astronomi di migliorare la teoria del mescolamento interno di stelle massicce, che finora è rimasta non calibrata da osservazioni provenienti direttamente dai loro interni profondi, " lei ha aggiunto.

La precisione con cui gli astronomi possono misurare le oscillazioni stellari dipende direttamente da quanto tempo viene osservata una stella. Aumentando il tempo da una notte a un anno si ottiene un aumento di mille volte della precisione misurata delle frequenze di oscillazione.

"May e i suoi collaboratori hanno davvero mostrato il valore delle osservazioni asterosismiche come sonde degli interni profondi delle stelle in un modo nuovo e profondo, " ha affermato il direttore del KITP Lars Bildsten, il Professore Gluck di Fisica Teorica. "Sono entusiasta di vedere cosa troverà dopo."

I migliori dati attualmente disponibili per questo provengono dalla missione spaziale Kepler, che osservò la stessa porzione di cielo per quattro anni consecutivi. Le stelle di tipo B a pulsazione lenta erano le stelle pulsanti di massa più elevata osservate dal telescopio. Mentre la maggior parte di questi sono leggermente troppo piccoli per diventare supernova, condividono la stessa struttura interna delle fabbriche chimiche stellari più massicce. Pedersen spera che le intuizioni raccolte dallo studio delle stelle di tipo B facciano luce sul funzionamento interno della loro massa più elevata, Controparti di tipo O.

Ha in programma di utilizzare i dati del Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA per studiare gruppi di stelle oscillanti di grande massa nelle associazioni OB. Questi gruppi comprendono da 10 a più di 100 stelle massicce tra 3 e 120 masse solari. Le stelle nelle associazioni OB nascono dalla stessa nuvola molecolare e condividono età simili, lei spiegò. Il grande campione di stelle, e costrizione dalla loro età comune, offre nuove entusiasmanti opportunità per studiare le proprietà di mescolamento interno delle stelle di grande massa.

Oltre a svelare i processi nascosti all'interno di interni stellari, la ricerca sulle oscillazioni stellari può fornire informazioni anche su altre proprietà delle stelle.

"Le oscillazioni stellari non solo ci permettono di studiare il mescolamento interno e la rotazione delle stelle, ma determinano anche altre proprietà stellari come la massa e l'età, " ha spiegato Pedersen. "Mentre questi sono entrambi due dei parametri stellari più fondamentali, sono anche tra i più difficili da misurare."