Stella zombie o la stella morta due volte ma ancora attiva

Il caso curioso che potrebbe modificare le nostre conoscenze del campo è quello di una stella che non solo ha originato una supernova anni dopo essere "morta" (cioè essere passata attraverso la fase distruttiva della supernova) ma che continua ancora ad emanare luce.

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Che le stelle non siano eterne lo si sa da poche decine di anni, da quando l'accoppiata strumenti di rilevazione della volta celeste e la conoscenza della termodinamica delle reazioni di fusione nucleare ha permesso di capire (e predire) il ciclo "vitale" stellare.

Se per millenni esse sono apparse come immutabili fiaccole nel cielo, con il tempo si comprese che, a volte e in modo imprevedibile, qualcosa cambiava in tale omogeneità, come ad esempio un aumento improvviso della luminosità di un "punto", una variazione che poteva durare al più qualche mese. La più antica testimonianza in tal senso va ascritta ad astronomi (una "qualifica" che all'epoca indicava funzioni affatto diverse da  quelle degli astrologi) cinesi che nel 185 D.C. documentarono la comparsa di una "stella temporanea" rimasta visibile per 8 mesi.

Sappiamo oggi che si trattò della prima supernova osservata, sita oltre alfa-centauri ad una distanza di circa 9 mila anni luce.

Quello che rimane di SN 185, la prima supernova documentata
(credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA - WISE)

Nel corso degli anni si è imparato a distinguere e, cosa ancora più interessante, a predire il destino di una stella in base alla sua massa, che in soldoni vuol dire alla quantità di "combustibile" disponibile (idrogeno nella quasi totalità). Senza dilungarci troppo su argomenti di nucleosintesi stellare, ampiamente noti e di cui sono disponibili ottimi compendi divulgativi, potremmo riassumere il tutto con alcuni punti fermi:

1. maggiore la dimensione iniziale della stella, più rapido (e catastrofico nel finale) sarà il suo "ciclo vitale".
2. Fintanto che ci sarà idrogeno da "bruciare" (leggasi da usare come combustibile per le reazioni di fusione nucleare) la stella manterrà un aspetto sostanzialmente costante. L'energia liberata dalla fusione sarà sufficiente a sostenere la massa soprastante; tanto maggiore la massa da sostenere, tanto maggiore l'energia che dovrà essere emessa e tanto più veloce il consumo di idrogeno. 
3. Le stelle massicce termineranno la loro vita sempre con un "grande botto", la supernova, dalle cui ceneri originerà un buco nero, una stella a neutroni o una nube di gas e detriti, a seconda della massa iniziale e di altre variabili come la presenza di stelle "gemelle" (tipico in un sistema binario).
4. Una aspettativa di vita molto diversa invece quella delle nane brune (articolo precedente --> Nane brune), superiore a quella dell'attuale età dell'universo. 
5. Le stelle di classe solare si trovano nel mezzo con una vita stimata di almeno 13 miliardi di anni, suddivisa però in diverse fasi, di cui la principale per durata è quella attuale (circa 8 miliardi, pur con variazioni di luminosità) a cui seguirà la fase di gigante rossa e infine una veloce transizione a nana bianca, una sorta di spegnimento inesorabile ma molto lento (per approfondimenti--> Life of the sun; --> Life cycle of the Sun) che potrebbe originare una nana nera (completamente spenta). Le stelle più piccole (intorno a 0,1 masse solari) passeranno invece attraverso la fase di nane rosse prima di divenire nane bianche. In quest'ultimo caso si tratta di inferenze basate su calcoli dato che stelle di queste dimensioni hanno una vita media superiore a quella dell'attuale universo, quindi nessuna nana bianca può essere "vissuta" tanto a lungo (anche se fosse nata poco dopo il Big Bang) da essersi "spenta".

Punto comune per tutte è che per "accendersi" una stella deve avere massa sufficiente da innescare (e mantenere) le reazioni di fusione nucleare. I calcoli teorici indicano tale massa minima in almeno 0,07 masse solari ed è in effetti in questo ambito che troviamo J0523, la più piccola tra le stelle propriamente dette. Al di sotto abbiamo le nane brune e ancora sotto pianeti di composizione quasi stellare come Giove.

Non si deve confondere una nana bruna con la sopra menzionata (e teorica) nana nera. La prima è una stella mancata (per massa insufficiente ad accenderla), la seconda è la probabile fine ultima di una stella che si è spenta dopo avere consumato tutto il carburante ma la cui massa è insufficiente perché il collasso gravitazionale la "trasformi" in  altro.

In questo quadro ben delineato, pur con tutte le varianti del caso, ecco ora irrompere un fenomeno completamente inatteso, cioè l'osservazione di una stella che da luogo a due supernova distinte a 60 anni di distanza. Qualcosa che potremmo definire "supernova recidiva" se non fosse che tale evento è (in base alle conoscenze attuali) un controsenso dato che dopo l'esplosione di una supernova rimane un buco nero, una stella di neutroni (se la massa di partenza è insufficiente) oppure nel caso di supernova di tipo Ia (tipicamente stelle binarie, una delle quali nana bianca), nulla se non enormi "residui" di gas.  

Tutto faceva quindi prevedere che una supernova fosse un evento definitivo. La scoperta di una stella "morta ma non-morta" (capace di riesplodere) spiega quindi il neologismo di "stella zombie".

Tutto nasce nel settembre 2014 quando gli astronomi dell'Osservatorio Las Cumbres in California osservarono la supernova iPTF14hls, catalogandola come evento "classico". Durante le analisi routinarie della materia ed energia espulse, scoprirono però che c'era qualcosa di strano. In genere, una supernova rimane luminosa per 100 giorni emettendo energie equivalenti (in media) a quella di 100 milioni di soli; questa invece continuò ad alternare aumenti e cali di luminosità per i successivi 600 giorni.

La luminosità persistente di iPTF14hls vs quella di una classica supernova
(Credit: Las Cumbres Obs. via sciencealert.com)

La spiegazione più ovvia era che vi fosse una stella nelle vicinanze responsabile di questa emissione inattesa di energia; lo studio dello spettro dimostrò invece che si trattava proprio di una supernova localizzata a 500 milioni di anni luce da noi. Stabilita la fonte di energia rimaneva da capire perché dal momento della prima osservazione avesse attraversato 5 cicli di luminosità. Ma le sorprese non erano finite. Quando gli astronomi consultarono i dati in archivio scoprirono che la stessa stella era già esplosa come supernova nel lontano 1954; in assenza di altri candidati nelle immediate vicinanze (come avviene in un sistema binario) l'unica spiegazione fu che, in qualche modo, la stella era sopravvissuta alla fase di supernova, per poi esplodere di nuovo a 60 anni di distanza e, cosa ancora più stupefacente, continuare a "vivere".

Nulla lasciava presagire una nuova supernova. In base all'energia emessa la stella originaria doveva avere una massa pari a circa 50 volte quella solare; ad oggi questa è la supernova più lunga e potente osservata.
(credit: Palomar Observatory Sky Survey via researchgate.net / ®Poss/Dss/Lco/S. ​Wilkinson

I dati vanno oltre la mera curiosità in quanto mettono in dubbio la validità "universale" del modello di supernova finora accettato.
Una prima ipotesi per spiegare il fenomeno si rifà alla teoria della "pulsational pair instability supernova" per la quale il nucleo di una stella massiccia può raggiungere temperature così elevate da permette la conversione di energia in materia e antimateria (processo inverso a quello classicamente studiato). Quando ciò accade, la stella diventa instabile e può parzialmente esplodere, spazzando via le sue parti esterne, ma lasciando intatto il nucleo. La stella quindi si stabilizza per un certo periodo di tempo finché la temperatura raggiunge valori simili; il processo si ripete quindi più volte ogni decina di anni, almeno finché la massa è sufficiente a garantire il raggiungimento delle temperature critiche finché raggiungerà una fase in cui l'esplosione sarà definitiva.
Questo in teoria dato che ad oggi eventi simili non sono mai stati osservati.
Ci sono tuttavia un paio di elementi della teoria che non si accordano perfettamente con ciò che gli astronomi hanno visto su iPTF14hls. In primis, eventi del genere sono stati ipotizzati come possibili solo nell'universo primordiale quando esistevano stelle supermassicce oggi scomparse (proprio perché a vita "breve); una stella posta a "solo" 500 milioni di anni luce da noi non può ovviamente provenire da distanze temporali adeguate. Uno degli autori ha usato come termine di paragone "se trovassimo oggi un dinosauro ancora vivo, la prima domanda che uno si porrebbe è se è veramente un dinosauro".
Altri due punti critici sono che l'energia liberata dall'ultima supernova è maggiore di quella che la teoria ipotizza e il fatto che gran parte dell'idrogeno avrebbe dovuto essersi perso con l'esplosione del 1954, mentre questo risulta presente in notevoli quantità anche dopo l'esplosione del 2014.
Se i dati non sono in accordo con la teoria della "Supernova a instabilità di coppia", allora si tratta di qualcosa di completamente nuovo.
Ad oggi la supernova è ancora in fase di studio e con l'affievolirsi della luce e l'espansione del gas (quindi maggiore trasparenza) gli astronomi sperano di riuscire a catturare informazioni sulla massa e su come possa essersi sviluppata (e mantenuta) energia così a lungo.
Lo studio, pubblicato su Nature, è stato possibile grazie alla disponibilità sia di telescopi robotici nell'osservatorio che della  SED Machine, una macchina progettata come una "semplice" fotocamera che inquadra e scatta ogni volta che un nuovo oggetto appare sul cielo, fornendo informazioni spettrali in pochi minuti.
La disponibilità di questi strumenti è verosimilmente la ragione per cui solo ora è stato possibile catalogare la nuova classe di stelle zombie.

Aggiornamento Supernova o stella massiccia ipervariabile?
IPTF14hls may be a variable hyper-wind from a very massive star, study suggests 

Fonti
- Energetic eruptions leading to a peculiar hydrogen-rich explosion of a massive star
Iair Arcavi et al, Nature 551, 210–213 (09 November 2017)