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Aurore stellari

rappresentazione artistica di una aurora su una nana bruna
rappresentazione artistica di una aurora su una nana bruna Chuck Carter and Gregg Hallinan/Caltech

Secondo un articolo uscito su Nature, anche sulle stelle di piccola massa e sulle "nane brune" si verificano aurore, come mostrato da osservazioni radio e ottiche.

 Le aurore, boreali o australi, sul nostro pianeta sono originate da elettroni energetici del vento solare, catturati dal campo magnetico terrestre (magnetosfera) e confogliati verso i poli magnetici; quando questi elettroni energetici collidono con gli atomi degli strati superiori dell'atmosfera (oltre 100 km di altezza), li ionizzano e la successiva ricombinazione porta all'emissione di luce sottoforma di spettacolari drappi colorati. Le osservazioni fatte con il telescopio spaziale e con le sonde interplanetarie ci hanno mostrato fenomeni analoghi su latri pianeti, in particolare intorno ai poli di Giove e Saturno ma persino su Marte, dove pure non c'è un campo magnetico globale; siamo quindi abituati ad associare questo fenomeno ai pianeti.

 Già pochi anni fa i radioastronomi avevano notato una curiosa emissione radio periodica da alcune "nane ultra-fredde" (UCDs) in rapida rotazione; si tratta di una categoria di oggetti che abbraccia sia le stelle più piccole e fredde, al margine della "sequenza principale", sia le "nane brune" o "stelle fallite" che hanno una massa di alcune decine di masse gioviane e dimensioni comparabili a quelle di Giove; l'emissione, con periodicità di alcune ore, era analoga a quella prodotta da Giove e Saturno, dove è stata attribuita appunto ad aurore trasportate dal campo magnetico planetario in rotazione.

 Adesso, un team di astronomi, guidato da G. Hallinan del Caltech, ha rilevato queste variazioni simultanee del segnale radio e ottico da un UCD chiamato LSR J1835 + 3259. Questo oggetto, a una distanza di 20 anni luce da noi, è una stella di classe spettrale M8.5, proprio sul punto di transizione tra stelle e nane brune. Usando osservazioni del radiointerferometro VLA, del telescopio di Mt Palomar e di uno dei telescopi Kecks di Mauna Kea, il team ha riscontrato una chiara emissione periodica sia a frequenze radio di alcuni GHz, sia otticamente alla lunghezza d'onda della riga H-alfa, e sempre con il periodo di 2.84 ore, che si presume essere quello della stella nana (in altre parole, questo oggetto ha circa le stesse dimensioni di Giove, ma gira più di tre volte più rapidamente!).  Questa emissione pulsata, riprodotta anche nel video sottostante, suggerisce che l'emissione aurorale, spostata rispetto alla posizione polo geografico, appaia e scompaia dalla nostra vista mentre la stella nana gira su se stessa.

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=QqdAAH5UUmU
L'emissione pulsata della nana bruna LSRJ 1835+3259, osservata nelle onde radio con il Very Large Array (New Mexico).
Credits: National Radio Astronomy Observatory -Stephen Bourke/Caltech

 Jonathan Nichols (Università di Leicester, UK), il cui team ha esplorato le emissioni aurorali su UCDs, trova il risultato molto interessante. "Abbiamo già visto variazioni periodiche nel visibile e nel radio, ma questa è la prima in cui sono stati osservati contemporaneamente, e hanno dimostrato di variare in tandem; le emissioni sembrano provenire dalla stessa regione nella bassa atmosfera della nana, nei pressi della fotosfera. E dal momento che l'emissione è persistente, sembra che un flusso controllato magneticamente di elettroni viene regolarmente scaricato nella bassa atmosfera della stella per creare le aurore. Ma come questi elettroni si facciano strada nell'atmosfera è una questione aperta. Sulla Terra, sono prodotte grazie all'interazione del campo magnetico globale del nostro pianeta e del vento solare magnetizzato; su Giove, sono in parte causate dall'interazione elettromagnetica del pianeta con la sua luna vulcanicamente attiva, Io [vedi figura sottostante]. Sembra che la rapida rotazione della stella nana sia coinvolta, ma per ora non si può dire di più. Ulteriori, attente osservazioni potrebbero individuare la posizione dell'emissione sulla stella, il che contribuirebbe a restringere le opzioni". Una speculazione curiosa: gli autori notano che abbiamo visto anche emissioni variabili a lunghezze d'onda infrarosse dalle nane brune e gli astronomi interpretano queste variazioni come segni di una attività "meteorologica". Sulla LSR J1835 + 3259, sembra che gli elettroni che penetrano nell'atmosfera con la corrente aurorale potrebbero influenzarne la temperatura e l'opacità. Forse, gli autori propongono, lo stesso meccanismo che pilota gli elettroni e alimenta le aurore potrebbe guidare le condizioni meteorologiche estreme sulle nane brune.

aura

Le aurore su Saturno e Giove riprese da Hubble. Si notino i "traccianti" dovuti al satellite IO su Giove. Credits: STScI - NASA - ESA

"Stiamo scoprendo che le nane brune non sono come piccole stelle in termini di attività magnetica, sono come pianeti giganti con aurore estremamente potenti", dice Hallinan. "Se  fossimo in grado di stare in piedi sulla superficie della nana bruna che abbiamo osservato (qualcosa che non potremmo realmente fare a causa della temperatura e della gravità, entrambe troppo alte), assisteremmo ad un fantastico spettacolo di luci con aurore centinaia di migliaia di volte più potenti di quelle rilevate nel nostro sistema solare". Nei primi anni 2000, gli astronomi scoprirono che le nane brune emettono onde radio e, in un primo momento, tutti davano per scontato che le emettessero nello stesso modo in cui fanno le stelle come il Sole, attraverso una corona riscaldata a milioni di gradi dall'attività magnetica vicino alla superficie. Tuttavia, le nane brune non generano grandi brillamenti o fiotti di particelle cariche come fa il nostro Sole, quindi le emissioni radio sono state una sorprendesa. Nel 2006, Hallinan scoperto che le nane brune pulsano alle frequenze radio. "Vediamo un fenomeno pulsante simile da pianeti del nostro sistema solare", dice Hallinan "e che è in realtà emissione radio a causa di aurore. Da allora mi sono chiesto se le emissioni radio viste su nane brune potrebbe essere causato da aurore".

Di seguito l'abstract dell'articolo originale.

Magnetospherically driven optical and radio aurorae at the end of the stellar main sequence

G. Hallinan, S. P. Littlefair, G. Cotter, S. Bourke, L. K. Harding, J. S. Pineda, R. P. Butler, A. Golden, G. Basri, J. G. Doyle, M. M. Kao, S. V. Berdyugina, A. Kuznetsov, M. P. Rupen & A. Antonova

Aurorae are detected from all the magnetized planets in our Solar System, including Earth. They are powered by magnetospheric current systems that lead to the precipitation of energetic electrons into the high-latitude regions of the upper atmosphere. In the case of the gas-giant planets, these aurorae include highly polarized radio emission at kilohertz and megahertz frequencies produced by the precipitating electrons, as well as continuum and line emission in the infrared, optical, ultraviolet and X-ray parts of the spectrum, associated with the collisional excitation and heating of the hydrogen-dominated atmosphere. Here we report simultaneous radio and optical spectroscopic observations of an object at the end of the stellar main sequence, located right at the boundary between stars and brown dwarfs, from which we have detected radio and optical auroral emissions both powered by magnetospheric currents. Whereas the magnetic activity of stars like our Sun is powered by processes that occur in their lower atmospheres, these aurorae are powered by processes originating much further out in the magnetosphere of the dwarf star that couple energy into the lower atmosphere. The dissipated power is at least four orders of magnitude larger than what is produced in the Jovian magnetosphere, revealing aurorae to be a potentially ubiquitous signature of large-scale magnetospheres that can scale to luminosities far greater than those observed in our Solar System. These magnetospheric current systems may also play a part in powering some of the weather phenomena reported on brown dwarfs.

Riferimenti:
-
http://www.nature.com/nature/journal/v523/n7562/full/nature14619.html
- http://www.caltech.edu/news/failed-stars-host-powerful-auroral-displays-47428
- http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/aurora-on-a-dwarf-star-0729201523/?et_mid=772709&rid=246599608
- http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/auroras-grace-stellar-skies/

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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