Stelle con involucro comune

Nel campo dell'astronomia, le stelle con involucro comune (common envelope, CE) sono una fase particolare dell'evoluzione dei sistemi binari. Si verifica quando le due stelle si trovano immerse in una nuvola di gas enorme che le avvolge entrambe. Durante questa fase, le due stelle nel sistema binario si avvicinano a causa delle forze di attrito esercitate dall'involucro comune di gas. Questo fenomeno può concludersi in due modi: o il gas viene espulso nello spazio, lasciando le due stelle molto più vicine di prima, oppure le stelle si avvicinano a tal punto da fondersi in una singola stella.

Questo processo è fondamentale nella formazione di sistemi binari con oggetti compatti, come le stelle di neutroni, i buchi neri o le nane bianche, con compagni molto vicini. È interessante notare che i sistemi binari stretti sono importanti anche perché sono fonti di onde gravitazionali e possono essere coinvolti in eventi come le supernove di tipo Ia.

La formazione dell'involucro comune

Immaginiamo due stelle che orbitano insieme nello spazio in un sistema binario, una stella più grande (donor star) e l'altra più piccola (receiving star). In questa immagine il cerchio 1 è la stella più grande mentre il cerchio 2 è la stella più piccola. Le linee nere rappresentano i "lobi di Roche" (Roche lobe), una rappresentazione schematica delle aree di influenza gravitazionale intorno a due corpi celesti che sono abbastanza vicini da influenzarsi a vicenda con la loro gravità. In questo diagramma, i lobi sono delineati da curve che si incontrano in un punto L, detto punto di Lagrange, dove l'attrazione gravitazionale delle due stelle si bilancia.

Il processo di formazione inizia quando la stella più grande comincia a espandersi, come un palloncino che si gonfia, o quando le due stelle si avvicinano troppo rapidamente.

Se la stella più grande cresce abbastanza da oltrepassare il confine immaginario dei lobi di Roche, la zona di influenza gravitazionale attorno a ciascuna stella, inizia a trasferire massa alla sua compagna più piccola.

Questo trasferimento di massa non è un affare tranquillo. Più massa passa dalla stella più grande a quella più piccola, più la stella donatrice si espande e più la distanza tra le due stelle si riduce. È un circolo vizioso: il trasferimento di massa fa avvicinare le stelle, e più si avvicinano, più massa viene trasferita. Questo processo può diventare talmente intenso da essere instabile e incontrollabile.

A volte la stella più piccola non riesce a gestire tutta questa massa extra. Non può assorbirla tutta. Quindi, cosa succede? Questa massa extra inizia a formare una specie di guscio gigantesco di gas intorno a entrambe le stelle. È come se le due stelle fossero avvolte in una enorme bolla di gas. Questo è detto "common envelope" (involucro comune).

Mentre sono all'interno di questo involucro comune, le due stelle continuano a muoversi lungo le loro orbite. Tuttavia, a causa delle forze di attrito all'interno dell'involucro gassoso, le stelle perdono energia. Questa perdita di energia fa sì che le loro orbite si avvicinino, aumentando di conseguenza anche le loro velocità orbitali. Il processo di avvicinamento delle orbite delle due stelle è detto "spiral-in". La perdita di energia orbitale è anche la causa del riscaldamento e dell'espansione dell'involucro.

Questo fenomeno può avere conseguenze drammatiche per il destino delle stelle. Può portare a una varietà di risultati interessanti, come la fusione delle due stelle in una sola stella circondata da un grande involucro di gas.

In alternativa, l'involucro di gas potrebbe disperdersi verso lo spazio esterno. In questo caso non si fondono in una sola stella, le due stelle continuano a orbitare nel sistema binario ma sono molto più vicine di prima.

La fase di common envelope è difficile da osservare direttamente, ma gli scienziati possono inferirne l'esistenza osservando le caratteristiche di certi sistemi binari che non possono essere spiegati in altro modo. Ad esempio, un evento di common envelope (CEE) dovrebbe essere più luminoso di una nova ma meno di una supernova e l'aumento della luminosità avviene più lentamente. Inoltre, l'involucro di gas comune intorno alle stelle è abbastanza freddo, con una temperatura di circa 5,000 K, e quindi emette luce rossa. Ma dato che questo involucro è enorme, la sua luminosità complessiva è paragonabile a quella di una supergigante rossa. Alcuni eventi che potrebbero rappresentare fasi di common envelope sono state osservate in passato e sono note come "luminous red novae" (LNRe).

In generale, la comprensione di questo fenomeno è ancora oggetto di studio e ricerca nel campo dell'astronomia.