Un evento astronomico transiente è un fenomeno tipicamente violento, improvviso e molto energetico del cielo profondo, che compare e scompare in tempi relativamente brevi, non paragonabili alla scala temporale di milioni o miliardi di anni durante i quali i componenti del nostro Universo si sono evoluti. I transienti infatti, si sviluppano su tempi scala di giorni, mesi o anni, facilmente apprezzabili nel corso della vita umana. L’autore ci accompagna nello studio di un transiente specifico SNHUNT133.

di Simone Leonini

Cenni Storici e Concetti Base

Sin dall’antichità, la comparsa di “stelle nove” ha destato stupore e turbato il senso di immutabilità dei cieli, fondamento della visione aristotelica dell’Universo. L’illusione di un cielo immobile ed incorruttibile ha quindi resistito per secoli. Successivamente, quando si iniziò a mettere in discussione l’idea delle “stelle fisse” correlata al sistema geocentrico, si comprese che le “stelle visitatrici” non potevano appartenere alla sfera sublunare ma rappresentavano dei cambiamenti delle stelle incastonate nella sfera celeste, suscitando l’interesse degli astronomi che si impegnarono in rigorose osservazioni. Solo agli inizi del secolo scorso però, si comprese l’origine della straordinaria luminosità degli astri che apparivano improvvisamente in cielo per poi scomparire. Si intuì che non tutte le stelle che osserviamo nella volta celeste si trovano alla stessa distanza e che esistevano altre galassie oltre alla Via Lattea. Si distinsero quindi le supernovae dalle novae, fenomeni eruttivi meno energetici originati all’interno di un sistema stellare binario.Una nana bianca cattura materiale dalla compagna, principalmente idrogeno, generando un’esplosione dello stato superficiale della stella che non coinvolge la struttura del sistema, tanto che potranno ripetersi altri episodi deflagranti.

Se la ricerca e lo studio di questi eventi ha appassionato gli astronomi sin dai secoli scorsi, lo studio sistematico dei transienti ospitati nei nuclei galattici invece si è sviluppato solo negli ultimi vent’anni, forse anche a causa della loro bassa luminosità intrinseca rispetto al nucleo della galassia e delle difficoltà di scoperta.

I nuclei delle galassie possono mostrare principalmente tre diversi tipi di transienti: nuclei galattici attivi, supernovae o eventi di distruzione mareale.

I nuclei galattici attivi sono oggetti celesti che emettono una enorme quantità di energia non riconducibile ad ordinari processi stellari. Il motore che li alimenta infatti è un buco nero di massa compresa fra un milione e qualche miliardo di volte quella del Sole. In rotazione vorticosa nelle regioni centrali della galassia, ingurgitano enormi quantità di gas residuo di formazione stellare o rilasciato successivamente da stelle in evoluzione. Circondati dal cosiddetto disco di accrescimento in cui la materia in caduta spiraleggia verso il centro, si nascondono dentro una “ciambella” (più propriamente un “toro”) di polvere molecolare coplanare al disco di accrescimento.

Le supernovae sono invece eventi esplosivi stellari. Le supernovae “termonucleari” vengono generate dall’esplosione di un sistema binario stretto, di cui almeno una delle due componenti è una nana bianca. Le due stelle lentamente si attraggono fino a fondersi, oppure può avvenire un trasferimento di materia dalla stella compagna alla nana bianca. Se la massa risultante dalla fusione o dalla cattura di materia è superiore al limite di Chandrasekar (1.44 Masse Solari), la nana bianca non sarà più in grado di sorreggere il proprio peso e, dopo un rapido collasso, si innescherà una reazione termonucleare che disgregherà la stella in una violenta esplosione, espellendo materiale nel mezzo interstellare senza lasciare alcun resto compatto.

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Le supernovae a “collasso nucleare” derivano da stelle di massa superiore alle 9 Masse Solari. Giunte al termine della propria evoluzione, quando viene esaurito il combustibile nucleare e le reazioni di fusione non sono più in grado di contrastare la forza di gravità,  il nucleo collassa e la stella esplode. L’onda d’urto spazza via gli strati più esterni della stella progenitrice nello spazio circostante lasciando un resto compatto che, a secondo della massa, può rimanere una stella di neutroni o diventare un buco nero.Ci sono poi  gli eventi di distruzione mareale, un  raro fenomeno che avviene quando una stella, avvicinandosi troppo ad un buco nero supermassiccio nel cuore di una galassia, viene inghiottita e disgregata dalle forze mareali causate dal buco nero stesso. Il materiale stellare di questo processo, chiamato di “spaghettificazione”, viene stirato in sottili filamenti. Parte di questo viene espulso mentre l’altra andrà ad accrescere sul buco nero, rilasciando così in poco tempo una grande energia che causa un improvviso aumento di luminosità del sistema.

L’indagine

Proprio un fenomeno transiente avvenuto all’interno di un nucleo galattico ha stimolato per circa un decennio le attività di ricerca svolte da Simone Leonini, Massimo Conti, Giacomo Guerrini, Paolo Rosi e Luz Marina Tinjaca Ramirez presso l’Osservatorio Astronomico di Montarrenti. L’osservatorio sorge tra le colline della Montagnola Senese, presso l’omonimo castello di origine medievale di proprietà della Provincia di Siena e gestito dall’Unione Astrofili Senesi.  Lo strumento principale è un telescopio in configurazione ottica Ritchey-Chrétien dal diametro di 0.53m., automatizzato ed a controllo remoto, equipaggiato di sensore retroilluminato Apogee Alta U47 e di ruota con filtri fotometrici BVRcIc (Fig. 1).

NGC6315 è una piccola galassia a spirale barrata di tipo SBc che mostra frontalmente le sue braccia (Fig. 2). Brilla di magnitudine B = 15.4 nella costellazione di Ercole ed ha un redshift  z = 0.023 equivalente ad una distanza di circa 100 Mpc.

L’ 8 giugno 2012, Stan Howerton edil Catalina Real-Time Transient Survey (CRTS) identificaronoin una osservazione del 30 maggio 2012 un inusuale aumento di luminosità nel nucleo della galassia, evidenziato dal programma di analisi mediante il metodo della sottrazione tra l’immagine di riferimento e quella scientifica. Verificato che la galassia non fosse classificata come nucleo galattico attivo e lo spettro di archivio non suggerisse alcuna attività del nucleo, fu ipotizzato che il transiente potesse trattarsi di una supernova. In attesa della caratterizzazione spettroscopica, si poteva supporre la scoperta di un evento di supernova di tipo Ia.

Solo il 23 luglio 2012 gli astronomi del CRTS comunicarono la nuova scoperta nel Transient Objects Confirmation Page (TOCP) del Central Bureau for Astronomical Telegrams con la denominazione di PSN J17124620+2313265, o più brevemente SNhunt133, dal nome del programma di ricerca transienti ottici del CRTS aperto alla collaborazione con gli amatori.

Appena diffusa la comunicazione di scoperta, verificammo che NGC6315 era inserita sin dal 2009 nell’elenco di galassie candidate del programma di ricerca oggetti transienti extragalattici del  Montarrenti Observatory Supernovae Search. Nonostante avessimo monitorato costantemente la galassia nel periodo in oggetto, purtroppo, attraverso semplici controlli visuali (in quel periodo non avevamo ancora sviluppato il programma di rilevamento automatico di nuove sorgenti), non eravamo riusciti ad individuare nulla di nuovo. Solo successivamente, analizzando fotometricamente il nucleo della galassia, ci siamo accorti di un incremento di luminosità di circa   3 decimi di magnitudine. Con molto rammarico, sembrava di aver perso una nuova opportunità di scoperta.

Per confrontarsi sulla natura dell’evento, decidemmo di contattare Andrea Pastorello, ricercatore INAF presso l’ Osservatorio Astronomico di Padova, chiedendo se la nuova sorgente potesse davvero trattarsi di una supernova sovrapposta al nucleo della galassia che sfortunatamente era sfuggita alle nostre ricerche oppure qualcosa di diverso, magari la semplice variabilità di un nucleo galattico attivo.

Pastorello si dimostrò subito disponibile ed interessato alla nostra proposta di approfondimento, tanto da informarci che i colleghi M. McCrum, M. Fraser, R. Kotak e D. E. Wright della Queen’s University di Belfast avevano ripreso uno spettro di SNhunt133 con il Telescopio Nazionale Galileo situato a La Palma che ci avrebbe certamente consentito di dirimere al più presto la questione.

Ad una prima analisi però, l’interpretazione delle righe spettrali del transiente fu inattesa. Queste  sembravano piuttosto simili ad uno spettro d’archivio di NGC6315 (fonte Sloan Digital Sky Survey) ripreso diversi anni prima della scoperta del nuovo transiente, senza la presenza di alcuna tipica firma spettrale di una supernova. Tale caratteristica, e l’andamento fotometrico rilevato dalle misure dell’Osservatorio di Montarrenti, faceva supporre che il transiente non fosse una supernova ma l’esordio della variabilità in una galassia precedentemente quiescente, simile a quella di un nucleo galattico attivo (The Astronomer’s Telegram, ATel. 4274).

Tuttavia, Andrew J. Drake (Department of Astronomy – California Institute of Technology), con la pubblicazione dell’ATel. 4279, confutò questa conclusione. Prima furono confrontati i dati fotometrici di Montarrenti con quelli del Catalina Surveys Data Release 1. Questi risultarono in eccellente accordo, mostrando un insignificante livello di variabilità osservata nell’arco di circa 2500 giorni, tra l’aprile 2005 e lo stesso mese del 2012. Poi, una verifica accurata dello spettro e la mancanza di significative sorgenti radio del nucleo riportate in letteratura, suggerirono che questo fosse più simile ad una normale galassia di tipo star-forming piuttosto che ad un nucleo galattico attivo. Ciò premesso, sembrava più probabile che in NGC6315 fosse in corso un outburst all’interno o vicino al suo nucleo. L’aumento del flusso di luminosità e le caratteristiche spettrali potevano essere coerenti con un evento di distruzione mareale anche se non potevano essere esclusi altri tipi di variabiltà.

Per riuscire a caratterizzare l’esatta natura di questo interessante evento, iniziò quindi una intensa campagna osservativa coordinata da Andrea Pastorello, la cui analisi è stata successivamente condotta da Irene Salmaso (attualmente dottoranda presso l’Università degli Studi di Padova) come lavoro di tesi di laurea magistrale in Astronomia dal titolo “Characterisation of a nuclear transient in NGC6315”.

I Dati

Grazie al contributo osservativo del Telescopio Copernico di Asiago (1.82m), del Telescopio del Cerro Tololo Inter-American Observatory (1.30m), del New Technology Telescope di La Silla (3.58m), del Telescopio Nazionale Galileo (3.58m) e naturalmente del telescopio di Montarrenti, furono raccolte ulteriori misure fotometriche allo scopo di determinare la magnitudine del transiente per ricostruire l’evoluzione della sua curva di luce in varie bande.

Dall’osservatorio senese abbiamo continuato a monitorare la galassia ospite nei 7 anni successivi alla scoperta di SNhunt133 per cercare altre eventuali, significative variazioni di luminosità nel nucleo. Questo avrebbe fatto escludere la possibilità che si trattasse di un evento esplosivo di origine stellare. Come mostrato in Fig. 4, questo però non è mai accaduto.

La curva di luce in banda R dell’evento verificatosi il 2 luglio 2012, mostra un picco ben distinto di luminosità (m_max R = 17.07 ± 0.03) che, dati distanza ed assorbimento, corrisponde ad una magnitudine assoluta M_max R = -18.4 ± 0.20, successivo ad una lunga salita verso il massimo di circa 50 giorni. Le osservazioni nelle altre bande sono successive al picco luminoso e tutte mostrano un regolare declino. Nelle bande B, V, R, I, una traccia di plateau è visibile circa 50 giorni dopo il massimo.

Contestualmente fu programmato anche un follow-up spettrale con AFOSC montato sul telescopio Copernico di Asiago, XShooter applicato all’UT2 del Very Large Telescope del Paranal Observatory e SofI utilizzato sul telescopio NTT a La Silla. Sono stati misurati flussi, picchi di intensità e lunghezza d’onda di diverse linee di emissione degli spettri raccolti. Nessuna attività simile o righe tipiche (es. OIII) di un nucleo galattico attivo nel cuore della galassia ospite o la firma spettrale di un transiente stellare sono state mai rilevate. In particolare, non è stata osservata nessuna chiara caratteristica di un evento di supernova durante l’evoluzione di SNhunt133 né le classiche linee (es. HeII) frequentemente osservate negli eventi di distruzione mareale.

Per meglio comprendere la natura dell’evento, sono stati confrontati i dati fotometrici e spettrali raccolti con quelli di differenti transienti nucleari conosciuti.

La magnitudine al picco di SNhunt133 si colloca entro i limiti di variabilità di ogni tipo di transiente comparato, quindi ulteriori considerazioni sono state effettuate confrontando la forma della curva di luce. In particolare, la salita verso il massimo di SNhunt133 è più lenta ed ampia di quella di una tipica supernova, ad eccezione delle supernovae superluminose che hanno un tempo di salita più lungo ma un picco di magnitudine assoluta inconsistente con quello di SNhunt133. Inoltre, le supernovae di tipo Ia mostrano un picco secondario nella banda I circa 30 giorni dopo il massimo di luminosità mentre SNhunt133 diminuisce in tutte le bande.

La differenza è ancora più evidente comparando gli spettri di SNhunt133 con uno spettro di una tipica supernova alla stessa fase evolutiva (Fig. 5). Lo spettro di SNhunt133 ha solo righe con profilo stretto residue della galassia, contrariamente alle linee più ampie tipiche dello spettro di una supernova. È pur vero che le supernovae di tipo IIn hanno linee particolarmente sottili con Hα risolto ma nel caso di SNhunt133 questo è miscelato con N II. Ciò significa che l’Hα osservato è un residuo della galassia ospite, in quanto abbiamo potuto escludere che questo provenisse dal mezzo circumstellare. Anche il flusso del continuo di SNhunt133 è più rosso e quindi più freddo rispetto alla media delle supernovae nella stessa fase.

Conclusione

Dopo queste considerazioni, un evento di distruzione mareale poteva sembrare maggiormente compatibile con SNhunt133, poiché mostra una curva di luce più ampia. Il confronto con gli spettri di diversi eventi di distruzione mareale risultava quindi fondamentale per cercare di trovare una somiglianza. Nonostante gli spettri di questi eventi tendano ad essere piuttosto diversi tra loro, mostrano continui spettrali blu persistenti e linee di emissione larghe, specialmente di He II. Tuttavia, nessuna di queste caratteristiche è stata rilevata in SNhunt133.

Inoltre, tutti i parametri indicano che NGC 6315 è chiaramente una galassia a formazione stellare e non mostra alcun comportamento simile ad un nucleo galattico attivo.

Per quanto sin qui, è difficile individuare una corrispondenza precisa per SNhunt133. La sua curva di luce e l’evoluzione spettrale non assomigliano al comportamento tipico di una supernova. Nonostante SNhunt133 mostri una curva di luce simile ad un evento di distruzione mareale, questo differisce in modo significativo nello spettro mostrando un continuum senza caratteristiche, senza linee chiare di He, H o metalli. Una possibilità remota è che SNhunt133 sia un evento di distruzione mareale peculiare, più freddo di quelli osservati fino ad oggi.

In conclusione, la curiosità e la determinazione nel cercare di capire l’esatta natura dell’oggetto che era sfuggito alla nostra scoperta ha incoraggiato una proficua collaborazione tra amatori e professionisti ed un approfondito studio per cercare di caratterizzare correttamente il transiente. La sua natura è stata dibattuta sin dalla sua scoperta con una prima classificazione che indicava la  variabilità di un nucleo galattico attivo e successive analisi che si orientavano verso un evento di distruzione mareale. Dopo attente considerazioni però, è stato verificato che i dati raccolti non corrispondono a nessuno dei transienti più comuni, tanto da ipotizzare che SNhunt133 possa rappresentare una nuova classe di variabilità di un nucleo galattico apparentemente quiescente, seppur meno evidente e meno ricorrente di quella tipicamente osservata nei nuclei galattici attivi.    

SNhunt133 va quindi ad arricchire il gruppo sempre più crescente di transienti scoperti nei nuclei galattici oggi definiti “ambigui” (Ambiguous Nuclear Transient), le cui luminose esplosioni nucleari hanno un’origine che ancora non può essere determinata in modo chiaro e definitivo.

L’individuazione e la caratterizzazione di questi intriganti eventi sono le nuove sfide che ci attendono per tentare di svelare le origini della variabilità di queste misteriose regioni galattiche.

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Desidero ringraziare Irene Salmaso (Università degli Studi di Padova) per la lettura critica e gli utili suggerimenti.

Simone Leonini: Agente di viaggio, sposato e papà di Matilde, è astrofilo sin da bambino, quando si dedicava con passione all’osservazione planetaria e delle stelle variabili. Già direttore dell’Osservatorio Astronomico di Montarredi e presidente dell’Unione Astrofili Senesi, ha condotto per anni attività di divulgazione delle scienze astronomiche

L’articolo è pubblicato in COELUM 265 VERSIONE CARTACEA