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91,73 KBStruttura interna del Sole. Credit: NASA
Un gruppo di scienziati dell'Istituto Max Planck per la Fisica Nucleare, in cooperazione con il DESY di Amburgo, presso il Sincrotrone PETRA III, hanno investigato per la prima volta l'assorbimento di raggi-X da parte degli ioni di ferro molto carichi elettricamente. Grazie ad una nuova trappola sviluppata dai ricercatori è stato possibile trattenere gli atomi per abbastanza tempo da effettuare misurazioni estremamente precise fornendo per la prima volta uno sguardo riguardo a come questi ioni si comportano all'interno di plasmi astrofisici. In parole più semplici: finalmente possiamo capire qualcosa in più su come viene trasportata la radiazione all'interno delle stelle. Questo avrà un enorme impatto sui modelli eliofisici su come funziona il nostro Sole e per riuscire in futuro a predire meglio la meteorologia spaziale (per esempio le tempeste solari più intense).
Gli ioni altamente carichi, cioè quegli atomi che sono stati privati della maggior parte dei loro elettroni, giocano un ruolo importantissimo in molti modelli astrofisici. All'interno delle zone più ricche di materia visibile nell'universo, lo stato più comune ad alta carica è quello neutroni. Questo è il caso anche per quanto riguarda le atmosfere stellari ma anche l'interno delle stelle, dove le temperature arrivano a svariati milioni di gradi celsius. Ioni altamente carichi abbondano anche intorno a oggetti molto esotici come stelle a neutroni e buchi neri. Prima che la materia cada verso i loro nuclei, rilascia energia gravitazionale, riscaldando il mezzo intorno a loro ed emettendo raggi-X molto intensi, che possiamo osservare con telescopi spaziali.
Ma tornando al Sole, i raggi-X determinano anche come viene trasportata l'energia all'interno della nostra stella. Nel suo nucleo, la temperatura di ben 15 milioni di gradi, oltre alla pressione tremenda, garantisce il perfetto funzionamento di una naturale centrale a fusione nucleare capace di produrre ben 4x10^26 watt di energia. La densità energetica è però di circa 200 watt per metro cubico. Abbastanza modesta. Tuttavia il Sole è molto grande e su questo fronte compensa enormemente. C'è anche da considerare che se il nucleo solare potesse radiare liberamente i raggi-X che produce a quelle temperature, una potenza di ben 11 gradi di magnitudo maggiore della fusione nucleare sarebbe persa. Il Sole "funziona" perché il trasporto della radiazione verso l'esterno viene inibito, mantenendo così alta la temperatura del nucleo. La convezione, cioè il trasporto del calore da parte di turbolenti flussi ciclici di materia caldissima, avviene solo molto più verso l'esterno, iniziando a circa 70% del raggio solare. Questa buona insolazione riduce il consumo di idrogeno ed estende la durata della fusione nel nucleo stellare fino a miliardi di anni, dando così la possibilità di avere pianeti stabili e potenzialmente vita!
Una misura dell'inibizione del trasporto della radiazione è data dall'opacità della materia solare. Questo termine descrive quanto efficientemente viene assorbita la radiazione da parte di un dato corpo. Anche se il Sole è fatto in buona parte da idrogeno ed elio, questi elementi giocano solo un ruolo secondario per quanto riguarda l'opacità. Il loro contributo in questo senso diminuisce da circa il 50% nel nucleo esterno a ben sotto il 20% nella zona di radiazione. In questa regione sono cruciali le impurità (cioè quella parte che insieme rappresenta appena 1.6% della massa solare) fatte di elementi più pesanti dell'elio ed idrogeno. Questi elementi sono chiamati nell'insieme "metalli" e sono tutto da ossigeno a calcio, magnesio, ferro. In questo il ferro è fondamentale anche se rappresenta appena 0.14% della massa del Sole. Questo perché agisce come un gas serra per quanto riguarda i raggi-X, contribuendo così a ben un quarto dell'opacità solare in questa regione. Per illustrare questo fatto, se il ferro fosse compattato insieme, potrebbe creare un muro solido intorno al Sole, di ben 100 km in spessore, al margine della zona di radiazione, cioè a circa 500.000 km di raggio solare. Come impurità diluita nel plasma solare però, il ruolo del ferro e quello di bloccare parte dei raggi-X dal lasciare il Sole, come una grande coperta per tenerlo al caldo.
Per riuscire a comprendere meglio il ruolo di questi "gas traccia" nell'atmosfera delle stelle, e per ottenere dei dati affidabili per fare paragoni con altre osservazioni astronomiche, i fisici nel team di José R. Crespo Lopez-Urrutia, dell'MPIK, hanno preparato, insieme ai colleghi del DESY e altre 8 istituzioni sparse per il mondo, degli ioni di ferro altamente carichi, presenti in 8 diversi stati e li hanno studiati sistematicamente sotto svariate condizioni. Jan Rudolph, studente dottorando dell'Istituto Max Planck, insieme ad alcuni suoi colleghi, ha poi usato il raggio ionico EBIT per produrre e conservare alcuni ioni altamente carichi da usare poi nell'anello dell'acceleratore PETRA III.
A questo punto arriva la parte più divertente! Questa struttura ospita il più potente raggio a raggi-X al mondo, e gli scienziati l'hanno usato per sparare raggi-X potentissimi a questi ioni di ferro intrappolati, misurando così per la prima volta quanti raggi-X riescono ad assorbire!
Questi nuovi dati sperimentali mostrano un ottima correlazione con i calcoli teorici, quindi EUREKA!
Un'altra cosa molto importante, oltre alle caratteristiche energie delle line e di assorbimento scoperte nello spettro di questi elementi, è la lunghezza della loro linea naturale (misurata per la prima volta in questo esperimento). La sua importanza è data dal fatto che determina l'energia radiante massima che un singolo ione di ferro può gestire. I ricercatori hanno scoperto che arriva a circa 1 watt per ione, per le transizioni di raggi-X osservate. Anche all'interno del nucleo solare, gli ioni di ferro non sono ancora saturi rispetto al trasporto della radiazione, dato che possono assorbire ed emettere fotoni nell'energia dei raggi-X a milioni di volte la velocità di quello che i normali atomi fanno con i meno energetici fotoni visibili. La combinazione di queste caratteristiche risulta cruciale nel determinare il ruolo del ferro per il bilancio della radiazione solare.
Questi nuovi dati ci permetteranno di migliorare molto i calcoli dell'opacità, migliorando così anche i modelli di base che usiamo per l'evoluzione stellare. Inoltre, aiuteranno a diagnosticare l'evoluzione dei plasmi astrofisici come quelli presenti intorno ai centri delle galassia attive (con un buco nero supermassiccio che sta attivamente divorando materia), oppure in sistemi binari di oggetti molto compatti come due stelle a neutroni o due buchi neri, dove c'è un accrescimento di particelle altamente cariche. Le linee a raggi-X del ferro sono solitamente l'ultimo testimone spettroscopico di questi processo esotici.
http://phys.org/news/2013-09-iron-sun-g ... x-ray.htmlhttp://www.link2universe.net/2013-09-09 ... i-raggi-x/