Nel cuore della nane bianche – densi oggetti stellari che rimangono dopo che una stella ha bruciato tutta la riserva di gas e si sta avviando verso la fine del suo ciclo di vita – è riposto un enigma quantistico: man mano che aumenta la massa delle nane bianche, diminuisce la loro dimensione, finché non diventano così piccole e compatte che non riescono più ad autosostenersi e quindi collassano in una stella di neutroni.
Questa particolare relazione tra la massa e la dimensione di una nana bianca, nota come relazione massa-raggio, è stata teorizzata per la prima volta nel 1930 dall’astrofisico, Premio Nobel, Subrahmanyan Chandrasekhar. Un gruppo di astrofisici della John Hopkins University ha sviluppato un metodo per osservare questo stesso fenomeno utilizzando un set di dati astronomici acquisiti dallo Sloan Digital Sky Survey e dal Gaia Space Observatory. La combinazione di questi due set di dati ha fornito ai ricercatori la possibilità di sviluppare studi su più di 3.000 nane bianche.
Le peculiari nane bianche
La relazione massa-raggio è una spettacolare combinazione tra la meccanica quantistica e la gravità, ma nello stesso tempo è un fenomeno incomprensibile per noi – siamo infatti abituati a pensare che quando un oggetto acquisisce una massa esso diventa più grande.
Come si diceva sopra, questo fenomeno è stato teorizzato già nel 1930; l’aspetto rilevante di questo ultimo studio, pubblicato sulla rivista Astrophysical Journal, è che i dati acquisiti sono più numerosi e più precisi di quanto sia mai stato fatto finora. L’ingente mole e l’alta precisione di questi dati può veramente permettere di provare in maniera definitiva quanto previsto dalla teoria.
Il team della Hopkins University ha ottenuto i propri risultati utilizzando diversi approcci di misurazione, primo fra tutti il cosiddetto effetto redshift, un fenomeno di natura gravitazionale consistente nel passaggio delle lunghezze d’onda della luce dal blu al rosso, quando più ci si allontana da un oggetto. Questo effetto è una diretta conseguenza della teoria della relatività generale di Einstein.
Uno dei componenti del team di ricerca, Hsiang-Chih Hwang, che per primo è riuscito a individuare l’esistenza dell’effetto redshift all’interno dei dati disponibili, afferma che la bellezza di questo lavoro sta nel fatto che si ha finalmente la possibilità di vedere realmente, sulle stelle oggetto di studio, tutte le teorie che vengono apprese nel corso degli studi.
Un altro obiettivo dello studio è stato quello di spiegare in che modo il moto di una stella attraverso lo spazio possa influenzare la percezione del suo redshift gravitazionale. Le frequenze della luce cambiano in base al movimento dell’oggetto che emette la luce rispetto a chi ascolta, con un effetto simile a quello di una sirena il cui suono cambia in relazione al moto tra il mezzo emittente e chi ascolta. Questo fenomeno è noto come effetto Doppler, e, ai fini delle misure sull’effetto redshift gravitazionale, rappresenta sicuramente un rumore inopportuno.
Per poter valutare adeguatamente le variazioni dovute all’effetto Doppler, i ricercatori hanno classificato le nane bianche secondo le dimensioni del loro raggio. Successivamente sono stati mediati gli effetti redshift delle stelle di dimensioni simili e quindi si è determinato che effettivamente ogni singola stella ha il suo redshift intrinseco, indipendentemente dalla sua posizione nello spazio e dal suo moto relativo rispetto alla Terra.
Ritornando alla similitudine con le sirene di un’ambulanza, è come prendere la media di tutte le misurazioni dei suoni emessi da ambulanze presenti in una specifica area per un arco di tempo definito – alla fine è come se ogni ambulanza, indipendentemente dalla sua direzione di moto, emettesse un suono intrinseco pari alla media dei suoni analizzati.
Questi valori di redshift gravitazionale intrinseco possono essere utilizzati per studiare delle stelle che saranno osservate nelle sperimentazioni future. Secondo i ricercatori, i set di dati futuri, che saranno più cospicui e più accurati, permetteranno di affinare le misurazioni; e i dati raccolti in questi esperimenti daranno un adeguato contributo alle analisi future sulla composizione chimica delle nane bianche.
Dal momento che una nana bianca rimpicciolisce al crescere della sua massa, anche l’effetto redshift gravitazionale cresce con la massa. I dati analizzati hanno dimostrato che è più facile uscire da un oggetto meno denso e più grande che da uno con più massa e più compatto.
