Il telescopio spaziale James Webb ha immortalato per la prima volta con chiarezza un sistema di quattro spirali di polvere, tutte disposte secondo lo stesso schema: ogni guscio si allarga oltre il precedente, come cerchi concentrici che si propagano nel vuoto.
In passato, le osservazioni avevano individuato un solo guscio e, pur ipotizzando strutture più esterne, i telescopi da Terra non erano riusciti a rilevarle. Questi strati di polvere si sono formati negli ultimi 700 anni attorno a due anziane stelle di tipo Wolf-Rayet in un sistema battezzato Apep, richiamando la divinità egizia del caos.
Grazie all’immagine nel medio infrarosso del James Webb, combinata con anni di dati raccolti dal Very Large Telescope (VLT) dell’Osservatorio Europeo Australe in Cile, gli astronomi sono riusciti a ridefinire il ritmo con cui le due stelle si incontrano: la coppia completa un’orbita in circa 190 anni e, per circa 25 di questi, le stelle si avvicinano abbastanza da generare nuova polvere cosmica.
Le quattro spirali di polvere di Apep
La visualizzazione scientifica pubblicata mostra in 3D tre dei quattro gusci di polvere prodotti dalle due stelle Wolf-Rayet di Apep, ricostruiti a partire dalle osservazioni nel medio infrarosso del James Webb. Si tratta di strutture che si espandono gradualmente nello spazio, a partire dalla regione centrale dove si trova il sistema stellare.
La simulazione è stata curata da Yinuo Han (Caltech) e Ryan White (Macquarie University), mentre la resa grafica è stata realizzata da Christian Nieves e l’elaborazione delle immagini da Alyssa Pagan, entrambi dello STScI. L’immagine, che appare come una sorta di conchiglia cosmica, rende visibile l’ordine nascosto nelle espulsioni ripetute di polvere.
Lo studio ha permesso di stabilire che ad ogni passaggio ravvicinato le stelle danno origine a un nuovo guscio, che si allontana dal centro mantenendo la propria forma. In questo modo, i quattro strati osservati raccontano la storia degli ultimi secoli di attività del sistema, con una cadenza regolare che riflette il lungo periodo orbitale della coppia di Wolf-Rayet.
Tre stelle legate dalla gravità e “buchi” nella polvere
Le osservazioni di James Webb hanno confermato che Apep non è solo un sistema binario: le stelle coinvolte sono tre, gravitazionalmente legate tra loro. La polvere prodotta dalle due Wolf-Rayet viene infatti modellata dall’azione di una terza stella, una supergigante molto massiccia, che attraversa i gusci in espansione creando vere e proprie cavità.
Questa terza componente, orbitando su una traiettoria più ampia, apre dei “buchi” nei gusci di polvere, come se li incidesse. Nell’immagine, tutte e tre le stelle appaiono fuse in un unico punto luminoso centrale, ma gli effetti della loro interazione si riconoscono osservando la struttura della nube: seguendo una V ideale dal centro, tra circa le ore 10 e le ore 2 di un quadrante immaginario, si individua la cavità che si ripete in ciascun guscio, simile a un imbuto orientato nella stessa direzione.
Gli astronomi avevano già identificato la terza stella grazie al VLT nel 2018, quando fu studiato il guscio interno più brillante. I nuovi dati del James Webb hanno consentito di raffinare il modello geometrico del sistema, chiarendo il legame fra le tre stelle e la forma dei gusci. Han ha spiegato che, grazie a queste osservazioni, sono stati chiariti diversi aspetti rimasti aperti, ma resta ancora da determinare con precisione la distanza di Apep dalla Terra, obiettivo che richiederà future campagne osservative.
Le stelle Wolf-Rayet di Apep, un laboratorio raro
Quando le due stelle Wolf-Rayet si avvicinano nel loro lungo percorso orbitale, i potenti venti stellari entrano in collisione e si mescolano, generando per circa 25 anni alla volta dense nubi di polvere ricca di carbonio. In altri sistemi simili, la produzione di polvere avviene su scale temporali molto più brevi, dell’ordine di pochi mesi, come nel caso dei gusci osservati in Wolf-Rayet 140.
Le stelle di Apep che generano la polvere viaggiano nello spazio in condizioni estreme: emettono materiale a velocità comprese tra 2.000 e 3.000 chilometri al secondo. La polvere prodotta è particolarmente densa e composta in gran parte da carbonio amorfo.
Han ha sottolineato che i grani di polvere di carbonio mantengono temperature relativamente elevate anche a distanze maggiori dalla stella; nonostante ciò, la radiazione che emettono resta molto debole. Per questo motivo è necessario uno strumento altamente sensibile nel medio infrarosso, come MIRI (Mid-Infrared Instrument) del James Webb, per riuscire a rilevarli.
White ha messo in evidenza quanto il periodo orbitale di questo sistema sia eccezionale rispetto ad altre coppie Wolf-Rayet che producono polvere: la seconda orbita più lunga conosciuta per una binaria di questo tipo si aggira attorno ai 30 anni, mentre la maggior parte completa la rivoluzione in pochi anni, tra due e dieci.
Dal punto di vista evolutivo, le due stelle Wolf-Rayet erano all’origine più massicce della loro compagna supergigante, ma nel tempo hanno perso una grande quantità di massa. Oggi si stima che ognuna di esse abbia una massa compresa tra 10 e 20 volte quella del Sole, mentre la supergigante si collocherebbe nell’intervallo tra 40 e 50 masse solari.
Il destino delle Wolf-Rayet di Apep è quello di esplodere come supernovae, disperdendo rapidamente il materiale nelle regioni circostanti. È possibile che, prima di trasformarsi in buchi neri, emettano un lampo di raggi gamma, tra gli eventi energetici più violenti conosciuti.
Le stelle Wolf-Rayet restano una rarità: nella Via Lattea se ne contano circa un migliaio a fronte di centinaia di miliardi di stelle. Tra le poche centinaia di sistemi binari Wolf-Rayet osservati finora, Apep spicca perché è l’unico, nella nostra galassia, a ospitare due stelle Wolf-Rayet di questo tipo all’interno dello stesso sistema, mentre la maggior parte delle binarie ne contiene una sola. Questo rende Apep un laboratorio unico per studiare la formazione della polvere stellare e le fasi finali dell’esistenza delle stelle più massicce.
