Astrofisici risolvono il mistero della "scomparsa" dello zolfo nelle nebulose planetarie

Un'iconica collages che mostra 22 PNe celebri e individuali, disposti artistica in modo a spirale in base alla dimensione fisica approssimativa. Credit: ESA/Hubble and NASA, ESO, NOAO/AURA/NSF da un'idea dell'autore corrispondente e Ivan Bojičić e realizzata da Ivan Bojičić con il contributo di David Frew e dell'autore.

Due astrofisici dal Laboratorio per la Ricerca Spaziale (LSR) dell'Università di Hong Kong (HKU) hanno finalmente risolto un enigma astrofisico di 20 anni riguardante le quantità di zolfo inferiori alle aspettative trovate nelle PNe (Nebulose Planetarie) rispetto alle aspettative e alle misurazioni di altri elementi e altri tipi di oggetti astrofisici.

I livelli attesi di zolfo sembravano spariti da tempo. Tuttavia, si sono ora presentati finalmente in servizio dopo aver nascosto alla luce del sole, a seguito dell'utilizzo di dati estremamente accurati e affidabili. Il team ha recentemente riportato i suoi risultati in Astrophysical Journal Letters.

Le PNe sono effimeri mantelli gassosi luminosi e espulsi di stelle moribonde che da tempo affascinano ed entusiasmano sia gli astronomi professionisti che gli appassionati con le loro forme colorate e variegate. Le PNe vivono solo poche decine di migliaia di anni rispetto alle loro stelle ospiti, le quali possono impiegare miliardi di anni prima di passare alla fase di PNe per diventare "nane bianche".

Di conseguenza, le PNe forniscono un istantanea quasi immediata dell'agonia della morte stellare. Sono una finestra scientifica fondamentale sulla fine dell'evoluzione stellare in quanto i loro spettri di emissione ad ampia linea consentono studi dettagliati delle loro composizioni chimiche.

Studi precedenti hanno mostrato che gli spettri ottici delle PNe sembravano avere un deficit variabile dell'elemento zolfo. Questo deficit era difficile da spiegare perché il zolfo, noto come un "α elemento", dovrebbe essere prodotto in modo sincronizzato con altri elementi come ossigeno, neon, argon e cloro in stelle più massicce. Di conseguenza, la sua abbondanza cosmica dovrebbe essere direttamente proporzionale.

Immagine ripresa da un telescopio dell'ESO in Cile della Nebulosa Planetaria PN NGC 5189. Alcuni dicono che somigli a un drago cinese volante nello spazio. Credit: ESO

Curiosamente, mentre sono state osservate forti correlazioni tra le abbondanze di zolfo e ossigeno nelle regioni H II (regioni di idrogeno ionizzato) e nelle galassie compatte blu (vedi figura 2), le PNe originanti da stelle a bassa e media massa mostrano costantemente livelli inferiori di zolfo, dando origine alla cosiddetta "anomalia dello zolfo" che ha perplesso e infastidito gli astronomi per decenni.

La signorina Shuyu Tan, laureata in Fisica presso l'HKU MPhil e assistente di ricerca presso l'HKU LSR, insieme al suo supervisore il professor Quentin PARKER, direttore del LSR, ha utilizzato un campione senza precedenti di spettri ottici di segnale-rumore (S/N) eccezionalmente elevato per circa 130 PNe situate al centro della nostra Galassia. Questo insieme di dati eccezionale aveva un rumore di fondo minimo, consentendo un'esame chiaro e dettagliato delle caratteristiche spettrali, aiutando il team a affrontare ed eliminare il mistero in modo efficace.

Queste PNe sono state osservate utilizzando il telescopio molto grande da 8 m dell'Osservatorio Europeo Australe (ESO) in Cile. Si è scoperto che l'anomalia era essenzialmente il risultato di una scarsa qualità dei dati per le linee di emissione di zolfo negli spettri delle PNe. Si è invece constatato che l'Argon, anziché l'ossigeno come indicatore di metalllicità di altri elementi, mostrava una correlazione più forte con l'ossigeno per lo zolfo ed è stato suggerito come un indicatore più affidabile di metalllicità e come elemento di confronto adeguato.

Quindi, quando viene osservato in modo spettroscopico un ampio campione di PNe, accuratamente selezionate, ad alto S/N su un grande telescopio, non solo i dati rivelano per la prima volta un forte comportamento "in sincronia" dello zolfo nelle PNe, come visto e atteso per altri tipi di oggetti astrofisici, ma l'anomalia stessa scompare efficacemente.

Gli autori hanno efficacemente confutato le precedenti affermazioni che suggerivano che l'anomalia dello zolfo nelle Nebulose Planetarie era il risultato di stadi di ionizzazione dello zolfo superiori sottovalutati o flussi di linea di zolfo deboli. Questa scoperta sottolinea l'importanza critica dei dati di alta qualità nel risolvere misteri scientifici.