Messo a nudo per la prima volta il cuore di zolfo e silicio di una stella morente prossima a esplodere come supernova

Si sa che le reazioni di fusione termonucleare trasformano le stelle da “rape” a “cipolle”. La recente osservazione di una stella morente, che ha messo a nudo il proprio cuore di zolfo e silicio, mostra la correttezza di questa curiosa “similitudine”.

pre-supernova — Rappresentazione artistica di una stella molto evoluta che avendo soffiato via i suoi strati esterni ha messo a nudo il suo nucleo di silicio e ossigeno. Credit: Keck Observatory/Adam Makarenko)

Le stelle brillano poiché al loro interno possiedono una sorgente di energia. E’ proprio questa sorgente di energia che differenzia le stelle dai pianeti i quali, essendone privi, non splendono di luce propria.

Questa sorgente stellare di energia consiste in reazioni di fusione nucleare durante le quali il combustibile nucleare si fonde trasformando elementi leggeri, quali ad esempio l’idrogeno, in elementi più pesanti, quali ad esempio l’elio. Queste reazioni vengono chiamate esotermiche poiché producono energia.

L’energia prodotta nelle regioni più interne della stella si propaga fino a raggiungere la superficie dalla quale viene irradiata nello spazio circostante rendendo la stella un corpo brillante.

Lo strato superficiale di una stella, chiamato fotosfera, è di fatto l’unico strato direttamente osservabile. Gli strati più profondi dove avvengono le reazioni di fusione nucleare sono completamente nascosti. Ciò che conosciamo della struttura interna delle stelle lo dobbiamo ad osservazioni indirette tramite l’emissione dei neutrini (prodotti da reazioni termonucleari) o tramite le oscillazioni della stella che ne svelano la struttura interna (la scienza che studia le oscillazioni di chiama astrosismologia).

Tuttavia, esiste una classe di stelle che a motivo del loro avanzato stato evolutivo mettono a nudo alcuni degli strati più interni.

Come vedremo avanti è proprio il caso della stella SN 2021yfj recentemente osservata con il telescopio Keck.

Stelle massicce, cioè con massa diverse volte più grande di quella del Sole, durante le fasi finali della loro vita iniziano a soffiare via gli strati più esterni e permettono di osservare gli strati più interni.

Mai come prima si era riusciti a guardare così in profondità grazie ad una stella, la SN 2021yfj, che si è letteralmente spogliata di tutti i suoi strati, mettendo a nudo il suo cuore di silicio e zolfo.

Un'evoluzione interna da rapa a cipolla

Volendo semplificare, le reazioni di fusione termonucleare trasformano la struttura interna di una stella da rapa a cipolla, come esemplificato nell’immagine di sotto.

rapa e cipolla — Le reazioni di fusione termonucleare trasformano la struttura interna di una stella da omogenea, come quella della rapa, a stratificata, come quella della cipolla.

Inizialmente la stella è costituita da una miscela “omogenea" di gas composto di idrogeno” al 75%, di elio al 23% e di una spruzzatina di elementi più pesanti al 2%. Volendola rappresentare, tra i vari ortaggi la rapa ne dà una buona idea.

Inizialmente, nel nucleo della stella l’idrogeno si fonde in elio così si forma un nucleo di solo elio. Finito l’idrogeno nel nucleo, la fusione dell’idrogeno si sposta su uno strato più esterno. Esaurito anche qui l’idrogeno, la fusione in elio si sposta in un secondo strato più esterno e così via sempre più verso la superficie.

Nel nucleo ormai formato da solo elio, questi si fonde in carbonio. Non appena l’elio nel nucleo è esaurito la fusione in carbonio si sposta al successivo strato più esterno esterno e così via.

Nel nucleo ormai di solo carbonio, questi si fonde in ossigeno, neon e magnesio. Esaurito il carbonio nel nucleo la sua fusione si sposta nello strato più esterno ancora ricco di carbonio e così via.

Nel nucleo la temperatura continua a salire innescando la fusione del neon, dell’ossigeno e del magnesio con produzione di silicio e zolfo per produrre alla fine il ferro.

La fusione del ferro non è più in grado di produrre sufficiente energia a contrastare il peso della stella per cui avviene il repentino collasso della struttura stellare che porta all’esplosione di supernova.

La figura di sopra mostra come le reazioni nucleari differenziate abbiano creato una struttura interna a "cipolla".

Prima che la stella possa esplodere come supernova, gli strati più esterni vengono soffiati via creando vere e propri gusci attorno alla stella (come mostrato nell'immagine di copertina) e mettendo a nudo gli strati più interni.

Le osservazioni al Keck di SN 2021yfj

Finora, osservando stelle morenti si era riusciti a trovarne alcune che avendo già soffiato via gli strati di ossigeno, elio, carbonio, avevano messo in luce quelli di neon e ossigeno.

Finalmente per la prima volta, è stata scoperta una stella che avendo soffiato via anche questi ha messo a nudo e quindi reso osservabile il suo strato più interno di zolfo e silicio.

Le osservazioni sono state effettuate con il telescopio Keck con specchio primario di 10 metri di diametro situato sul Mauna Kea alle Hawaii.

La stella SN 2021yfj è una progenitriche di supernova, cioè una stella che darà vita a un'eplosione di supernova. Era stata scoperta nel 2021 con lo Zwicky Transient Facility (ZTF) ma se ne ignorava la natura. Grazie alle osservazioni al Keck ne è stata compresa la vera natura che ha svelato gli strati di zolfo e silicio più interni mai prima osservati in una stella.

Queste osservazioni sono preziosissime in quanto confermano la correttezza dei modelli di evoluzione stellare che prevedono teoricamente la stratificazione degli elementi che coincide con quella osservata.

Riferimento allo studio

"A cosmic formation site of silicon and sulphur revealed by a new type of supernova explosion" Steve Schulze et al. Nature 2025 in press