Una simulazione del sistema binario ZTF J1539 +5027, formato da due nane bianche in orbita strettissima. A sinistra, la più massiccia delle due nane bianche, più piccola e più calda dell’altra [Michele Diodati]

Due nane frenetiche

Una coppia di nane bianche a eclisse scoperta nel 2018 ha un periodo orbitale di meno di 7 minuti. Rappresenta pertanto un candidato ideale per l’osservazione nelle onde gravitazionali da parte dell’osservatorio spaziale LISA, il cui lancio è programmato per il 2034

Nel 2034 è previsto il lancio di LISA, un avveniristico osservatorio spaziale in grado di “ascoltare” le onde gravitazionali prodotte da eventi che sono al di fuori della portata degli osservatori terrestri LIGO e Virgo, già operativi da alcuni anni. Tra gli oggetti che LISA renderà visibili nelle onde gravitazionali si prevede che vi saranno migliaia di sistemi binari formati da coppie di nane bianche in orbita strettissima, con periodi orbitali di pochi minuti.

Purtroppo i sistemi binari di questo tipo attualmente noti sono pochissimi. Per fortuna, grazie ai progressi delle tecnologie elettroniche e dell’informatica, gli astronomi possono giovarsi oggi di strumenti che consentono di scandagliare rapidamente e in modo automatizzato enormi database di osservazioni astronomiche. Ciò rende possibile scoprire fenomeni e oggetti, come le suddette coppie di nane bianche, che, quasi certamente, rimarrebbero altrimenti ignoti.

Uno di tali strumenti è la Zwicky Transient Facility (ZTF), che dal 2017 scandaglia ogni notte il cielo dell’emisfero settentrionale alla ricerca di transienti, cioè fenomeni caratterizzati da rapide variazioni di luminosità e/o posizione dell’oggetto osservato. La survey utilizza in accoppiata con il telescopio Samuel Oschin da 1,2 metri dell’osservatorio californiano di Monte Palomar una fotocamera in grado di riprendere con una singola esposizione 47 gradi quadrati di cielo, cioè 235 volte l’area coperta dalla Luna piena.

Grazie a questo enorme campo visivo, la ZTF riprende oltre 3.750 gradi quadrati di cielo ogni ora, riuscendo in tal modo a coprire l’intero emisfero celeste visibile dal telescopio in soli tre giorni. Supernovae, stelle variabili, sistemi binari, nuclei galattici attivi e asteroidi (fino a una magnitudine apparente di 20,5) sono i bersagli ideali della survey. Per dare un’idea della quantità di dati che la ZTF riesce a produrre, basti dire che la prima release pubblica del database, basata su osservazioni compiute tra marzo e dicembre 2018 e diffusa a maggio 2019, comprende circa 3,4 milioni di immagini, 63 miliardi di sorgenti rilevate in quelle immagini e circa 2 miliardi di curve di luce.

Analizzando questa monumentale base di dati, fu scoperta a giugno del 2018 un’insolita coppia di nane bianche, identificata con la sigla ZTF J153932.16 +502738.8 o, più brevemente, ZTF J1539 +5027. La sua descrizione è contenuta in uno studio pubblicato su Nature il 24 luglio 2019, con primo autore lo studente di dottorato del Caltech Kevin B. Burdge.

La particolarità del sistema, rilevabile dalle curve di luce della ZTF e confermata da successive osservazioni spettroscopiche e fotometriche, è che le due nane bianche si eclissano a vicenda e lo fanno in tempi rapidissimi. Il periodo orbitale è di soli 414,8 secondi, cioè 6,91 minuti, il che fa di ZTF J1539 +5027 la coppia di nane bianche a eclisse con il periodo più breve attualmente noto (un’altra coppia di nane bianche, **HM Cancri**, ha un periodo orbitale ancora più breve, di soli 5,4 minuti, ma non è un sistema binario a eclisse).

La curva di luce di ZTF J1539 +5027 mostra nitidamente una profonda eclissi, dovuta all’oscuramento della nana bianca primaria, molto più calda e luminosa, da parte della secondaria. A metà dell’orbita vi è poi un’eclissi minore, in corrispondenza del passaggio della secondaria alle spalle della primaria rispetto al nostro punto di osservazione. Le variazioni di luminosità tra le due eclissi sono dovute, secondo i ricercatori, al progressivo volgersi nella nostra direzione dell’emisfero della stella secondaria fortemente irradiato dalla stella primaria [Nature 571, 528–531 (2019)]

Le due nane bianche di ZTF J1539 +5027, situate nella costellazione di Boote a una distanza di circa 7.600 anni luce dalla Terra, formano una coppia con caratteristiche molto differenti. La primaria, che ha probabilmente un nucleo di carbonio e ossigeno, ha una massa pari al 61% di quella del Sole e un raggio di 10.867 km (1,7 volte il raggio terrestre). Ciò si traduce in una densità di circa 226 milioni di kg/m³: per confronto, la densità media della Terra è di 5.515 kg/m³, cioè cinque ordini di grandezza in meno! A una densità così elevata corrisponde ovviamente un’accelerazione di gravità altrettanto elevata, pari a oltre 562.000 m/s² (un valore impressionante, se lo confrontiamo con i “miseri” 9,8 m/s² dell’accelerazione di gravità terrestre al livello del mare). Per motivi che non sono del tutto chiari, questa nana bianca ha una temperatura superficiale molto alta, calcolata in 48.900 K.

La stella secondaria è probabilmente una nana bianca di elio, con una massa che è circa il 21% di quella del Sole, cioè un terzo della massa della primaria. Come è tipico delle nane bianche, a una massa minore corrisponde un raggio maggiore (la materia è meno compressa, a causa della minore gravità): il suo raggio è pertanto di 21.845 km, circa il doppio della primaria. Ne consegue una densità di “soli” 9,6 milioni di kg/m³. La temperatura effettiva è inferiore ai 10.000 K, cioè circa cinque volte più bassa della temperatura della primaria.

Una simulazione che mostra l’uscita dall’eclissi della nana bianca più calda e luminosa [Michele Diodati]

Il semiasse maggiore dell’orbita di questo inusuale sistema binario misura appena 78.000 km. Ciò vuol dire che le due nane bianche orbitano freneticamente intorno al comune centro di massa in un volume di spazio che potrebbe essere contenuto completamente all’interno del pianeta Saturno.

A causa della pochissima distanza che separa i due corpi, è probabile che vi siano, o vi saranno in futuro, trasferimenti di materia dalla secondaria alla primaria. Di ciò però non vi è traccia al momento, almeno a quanto si ricava dalle osservazioni nei raggi X: se vi fosse un trasferimento di materia dalla stella secondaria alla primaria, si produrrebbe infatti un hotspot, un punto caldo, anzi caldissimo, sulla superficie di quest’ultima, rilevabile attraverso emissioni nei raggi X, emissioni che però, al momento, non sono visibili.

Ciò può significare due cose: o tale trasferimento di materia non c’è affatto oppure c’è, ma si riversa su una porzione piuttosto estesa della superficie della primaria, per cui l’hotspot emette luce ultravioletta invece che raggi X. Un’altra ipotesi considerata dai ricercatori è la possibilità che il trasferimento di materia sia stato interrotto in un recente passato da un’esplosione di nova, causata dall’improvviso accendersi di reazioni di fusione termonucleare nella materia accumulatasi sulla superficie della nana bianca più massiccia. Ciò spiegherebbe anche la temperatura insolitamente elevata della stella primaria.

L’elemento più interessante di questo sistema binario è, in ogni caso, il suo periodo orbitale estremamente breve: le due nane bianche, orbitando ad altissima velocità l’una intorno all’altra, emettono di continuo onde gravitazionali. L’energia necessaria a produrre queste perturbazioni del tessuto spazio-temporale viene “pagata” con una progressiva riduzione del periodo orbitale. Tale riduzione è stata misurata dai ricercatori analizzando le variazioni nella durata del periodo, ricavate dall’analisi di dati fotometrici d’archivio accumulati nel corso di più anni di osservazione.

I calcoli indicano che il periodo si riduce di 2,373 centomiliardesimi di secondo al secondo, valore che si accorda ottimamente con le previsioni della relatività generale. La riduzione del periodo significa anche che le due nane bianche si avvicinano sempre di più l’una all’altra. Il processo — prevedono gli autori dello studio — proseguirà per i prossimi 130.000 anni, cioè finché il periodo non avrà raggiunto una durata di circa cinque minuti. A quell’epoca, il nucleo di materia degenere della stella secondaria comincerà a espandersi notevolmente, in risposta alla diminuzione della spinta comprimente della gravità, dovuta alla continua perdita di massa prodotta dal trasferimento di materia verso la primaria.

L’espansione accelererà ulteriormente la perdita di massa, creando due possibili scenari. Nel primo, che prevede una perdita di massa stabile, la nana bianca di elio, divenuta ormai leggerissima, inizierà ad allontanarsi dall’altra nana bianca, causando l’aumento del periodo orbitale. Nel secondo, caratterizzato da una perdita di massa incostante, è possibile che la distanza orbitale si riduca fino al punto che la collisione e la fusione delle due nane bianche divenga inevitabile. Nello scenario peggiore, ciò potrebbe causare una catastrofica deflagrazione, con la completa distruzione della stella superstite.

Purtroppo i tempi astronomici sono incomparabilmente più lunghi dei tempi umani, sicché non ci è dato di poter conoscere quale sarà il destino finale di queste due nane bianche. Quel che invece ci auguriamo di poter vedere è il lancio della missione LISA nel 2034. Secondo i calcoli del ricercatori, il segnale emesso nelle onde gravitazionali dalla coppia di nane bianche ZTF J1539 +5027 è così forte che potrà essere rilevato da LISA già dopo una sola settimana dall’inizio delle osservazioni.

Una rappresentazione artistica del sistema binario ZTF J1539 +5027 [Caltech/IPAC/R. Hurt]

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