TESS si sintonizza su una “sinfonia” di stelle giganti rosse

Utilizzando le osservazioni Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA, gli astronomi hanno identificato una collezione senza precedenti di stelle giganti rosse che pulsano nel cielo. Queste stelle, i cui ritmi derivano da onde sonore interne, forniscono gli accordi di apertura per un’esplorazione sinfonica del nostro vicinato galattico.

TESS caccia principalmente mondi oltre il nostro Sistema Solare, conosciuti anche come esopianeti. Ma le sue misurazioni sensibili della luminosità delle stelle rendono TESS ideale per studiare le oscillazioni stellari, un’area di ricerca chiamata asterosismologia. “Il nostro risultato iniziale, utilizzando misurazioni stellari nei primi anni di TESS, mostra che possiamo determinare le masse e le dimensioni di questi giganti oscillanti con una precisione che migliorerà solo con il progredire di TESS“, ha affermato Marc Hon, associato di TESS Hubble presso l’Università delle Hawaii a Honolulu. “Ciò che è veramente unico è l’ampia copertura che TESS ci consente di effettuare queste misurazioni in modo uniforme su gran parte del cielo“.

Le onde sonore che viaggiano attraverso qualsiasi oggetto – una corda di viola, una canna d’organo o l’interno della Terra e del Sole – possono riflettere e interagire, rafforzando alcune onde e annullandone altre. Ciò può comportare un movimento ordinato chiamato onde stazionarie, che creano i toni negli strumenti musicali.

Appena sotto la superficie di stelle come il Sole, il gas caldo sale, si raffredda e poi scende, dove si riscalda di nuovo, come una pentola di acqua bollente su un fornello. Questo movimento produce onde di cambiamento di pressione – onde sonore – che interagiscono, guidando infine oscillazioni stabili con periodi di pochi minuti che producono sottili cambiamenti di luminosità.

Per il Sole, queste variazioni ammontano a poche parti per milione. Le stelle giganti con masse simili al Sole pulsano molto più lentamente e i corrispondenti cambiamenti di luminosità possono essere centinaia di volte maggiori.

Le oscillazioni del Sole sono state osservate per la prima volta negli anni ’60

Oscillazioni di tipo solare sono state rilevate in migliaia di stelle dal telescopio spaziale francese CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits), che ha operato dal 2006 al 2013. Le missioni Kepler e K2 della NASA, che hanno studiato il cielo dal 2009 al 2018, hanno scoperto decine di migliaia di giganti oscillanti. TESS ora aumenta quel numero di oltre 10 volte.

Sono le differenze fisiche tra un violoncello e un violino che producono i loro suoni distinti. Allo stesso modo, le oscillazioni stellari osservate dagli astronomi dipendono dalla struttura interna, dalla massa e dalle dimensioni di ciascuna stella. Ciò significa che l’asterosismologia può aiutare a determinare proprietà fondamentali per un gran numero di stelle con precisioni non altrimenti ottenibili.

Quando stelle di massa simile al Sole si evolvono in giganti rosse, la penultima fase della loro vita stellare, i loro strati esterni si espandono di dieci volte o più. Questi vasti gusci gassosi pulsano con periodi più lunghi e ampiezze maggiori, il che significa che le loro oscillazioni possono essere osservate in stelle più deboli e più numerose.

TESS monitora ampie aree del cielo per circa un mese alla volta utilizzando le sue quattro telecamere. Durante la sua missione principale di due anni, TESS ha coperto circa il 75% del cielo, ogni telecamera ha catturato un’immagine completa che misura 24 per 24 gradi ogni 30 minuti. A metà del 2020, le telecamere hanno iniziato a scattare queste immagini a una velocità ancora maggiore, ogni dieci minuti.

Le immagini sono state utilizzate per sviluppare curve di luce – grafici di luminosità variabile – per quasi 24 milioni di stelle in 27 giorni, il tempo in cui TESS fissa ogni zona del cielo. Per filtrare questo immenso accumulo di misurazioni, gli scienziati hanno “insegnato” a un computer a riconoscere i giganti pulsanti .

Il team ha utilizzato l’apprendimento automatico, una forma di intelligenza artificiale che addestra i computer a prendere decisioni basate su schemi generali senza programmarli esplicitamente. Per addestrare il sistema, il team ha utilizzato le curve di luce di Keplero per oltre 150.000 stelle, di cui circa 20.000 erano giganti rosse oscillanti. Quando la rete neurale ha terminato di elaborare tutti i dati di TESS, ha identificato un coro di 158.505 giganti pulsanti.

Il team ha quindi determinato le distanze per ciascun gigante utilizzando i dati della missione Gaia dell’ESA e ha tracciato le masse di queste stelle nel cielo. Le stelle più massicce del Sole si evolvono più velocemente, diventando giganti in giovane età. Una previsione fondamentale nell’astronomia galattica è che le stelle più giovani e più massicce dovrebbero essere più vicine al piano della Galassia, che è caratterizzato dall’alta densità di stelle che creano la banda luminosa della Via Lattea nel cielo notturno.