Ricreato in laboratorio il processo di accrescimento nelle stelle T Tauri
Fenomeni di accrescimento avvengono in una grande varietà di sorgenti astronomiche, dalle “piccole” stelle T Tauri ai giganteschi buchi neri al centro delle galassie. In particolare, le T Tauri sono stelle giovani con un’età di pochi milioni di anni, ancora circondate da un disco, chiamato disco protoplanetario, da cui accrescono gas. L’accrescimento avviene con un tasso che generalmente va da 10-8 a 10-10 masse solari/anno, con casi più estremi ed eventi di accrescimento transienti che raggiungono anche valori di 10-5-10-6 masse solari per anno. In queste stelle l’accrescimento di gas dal disco protoplanetario alla stella è mediato dal campo magnetico: il gas infatti accresce lungo canali magnetici che connettono stella e disco, impattando la superficie della stella praticamente in caduta libera a velocità di alcune centinaia di km al secondo. Sia il gas che la regione della stella interessata dal processo di accrescimento sono riscaldati a temperature di centinaia di migliaia fino ad alcuni milioni di gradi.
Il processo di accrescimento nelle stelle T Tauri è caratterizzato da vari fenomeni fisici di grande interesse scientifico. Per citarne alcuni: l’interazione magnetica tra stella e disco, gli effetti dell’accrescimento sull’atmosfera della stella (fotosfera, cromosfera e corona), la stratificazione termica e gli shock che si innescano all’interno dei canali di accrescimento, l’evoluzione temporale del campo magnetico e dell’intero processo di accrescimento in un sistema così complesso e rapidamente rotante. Lo studio di questi processi avviene principalmente con tre approcci. Un metodo si basa sull’analisi di radiazione ottica ad alta energia, UV, ed ai raggi X emessa sia dal gas nella fotosfera della stella riscaldata dal processo di accrescimento che dal materiale che accresce sulla stella. Un altro metodo si basa sull’analisi spettroscopica di righe prodotte o influenzate dal processo di accrescimento, che permettono anche di quantificare i tassi di accrescimento e studiare alcune proprietà delle colonne di accrescimento, come densità e temperatura. Inoltre, studi teorici e modelli magneto-idrodinamici permettono di riprodurre la fisica del processo di accrescimento e studiare nel dettaglio il fenomeno.
Un nuovo metodo di studio dell’accrescimento nelle stelle T Tauri è stato ideato da un team internazionale di fisici guidato da XXX, che conta anche la collaborazione degli astrofisici R. Bonito, C. Argiroffi e S. Orlando dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo. Il metodo si basa su esperimenti di laboratorio mirati a riprodurre alcuni dei fenomeni coinvolti nel processo di accrescimento. In questi esperimenti, del plasma è creato utilizzando un laser ad alta potenza (1013 W/cm2). Questo plasma è quindi immerso in un campo magnetico prodotto esternamente, incanalandolo e facendolo impattare su un ostacolo a velocità di alcune centinaia di km/sec, riproducendo quindi il processo di accrescimento. I risultati ottenuti fino ad oggi da questi esperimenti sono presentati in tre pubblicazioni. In “Laboratory unravelling of matter accretion in young stars” di G. Revet (Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, Russia; École Polytechnique, CEA: Université Paris-Saclay), pubblicato nel 2017 sulla prestigiosa rivista Science Advances, i ricercatori hanno osservato come il plasma, una volta impattato l’ostacolo, viene riflesso dalla superficie impattata e quindi ricanalizzato dal campo magnetico, formando uno strato di materiale denso che circonda i canali di accrescimento. Secondo gli autori, scalando i risultati dell’esperimento al caso astrofisico delle stelle T Tauri, questo strato potrebbe assorbire i raggi X emessi dal materiale alla base dei canali di accrescimento, fenomeno ipotizzato per spiegare delle discrepanze tra le misure dei tassi di accrescimento ottenuti da osservazioni in ottico rispetto a quelle ai raggi X. Questi studio è stato approfondito successivamente nell’articolo: “Laboratory evidence for asymmetric accretion structure upon slanted matter impact in young stars” di K. Burdonov (École Polytechnique, CEA: Université Paris-Saclay), in attesa di pubblicazione sulla rivista XXX. In questo articolo gli autori indagano alcune proprietà del processo di accrescimento in funzione dell’inclinazione dei canali di accrescimento rispetto la superficie della stella. Secondo gli autori, quando il materiale accresce da una direzione diversa da quella perpendicolare alla superficie della stella, il plasma in accrescimento viene incanalato dal campo magnetico in maniera meno efficace, e parte del materiale si allontana lateralmente ai canali di accrescimento. Questi effetti aumentano all’aumentare dell’inclinazione tra i canali di accrescimento e la normale alla superficie della stella, e sono stati verificati anche con simulazioni magneto-idrodinamiche sviluppate dagli astrofisici di OAPA. Infine, nello studio “Laboratory disruption of scaled astrophysical outflows by a misaligned magnetic field” di G. Revet (Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, Russia; École Polytechnique, CEA: Université Paris-Saclay), in attesa di pubblicazione sulla rivista XXX, gli autori hanno studiato i meccanismi alla base della collimazione dei getti protostellari (getti di plasma altamente collimati emessi dalle stelle T Tauri). Secondo i risultati di questi esperimenti, una volta scalati al caso delle stelle T Tauri, la collimazione dei getti è legata principalmente all’inclinazione tra il campo magnetico della stella e la direzione in cui il plasma viene espulso.
La figura (cliccare qui per visualizzare l’immagine intera) mostra il setup dell’esperimento condotto per studiare l’accrescimento lungo una direzione perpendicolare alla superficie dell’ostacolo, ed una simulazione della configurazione del getto di plasma.
Mario Giuseppe Guarcello ( segui mguarce)