"LE TRASMUTAZIONI DI V BOOTIS" / "THE V BOOTIS TRANSMUTATIONS"

Fondamentalmente, una stella è una sfera di gas disposti secondo un gradiente di densità dal densissimo nucleo alla più tenue superficie e tenuti assieme dalla loro stessa gravità. Tale forza porterebbe l’intera struttura a collassare su se stessa ma, in una perfetta sintesi di equilibrio noto come “supporto idrostatico” essa è contrastata dalla pressione di radiazione sviluppata dalla presenza di gas caldo nel suo nucleo ma soprattutto dalla stessa energia li prodotta.

Al momento della nascita di una stella, tale condizione subentra parallelamente all’innesco di reazioni nucleari che avvengono nel suo nucleo, le stesse che producono l’energia poi sprigionata sotto forma di luce e calore; la durata di questa fase di equilibrio - chiamata anche “di sequenza principale”, in relazione alla posizione occupata dalla stella nel diagramma HR - è in stretta relazione alla velocità alla quale essa fonde l’idrogeno in elio nel nucleo. Come logico, il tempo di durata della fase di sequenza principale di una stella è quindi in stretta relazione alla sua massa: maggiore è questa, prima la stella si avvierà ad esaurire le sue scorte di idrogeno e, ovviamente, il contrario. Nel momento in cui “combustibile” idrogeno giunge all’esaurimento, il supporto idrostatico viene chiaramente a cessare: perdendo l’equilibrio che fino a quel momento ha contraddistinto la stella fornendole una vita tutto sommato tranquilla, essa si avvia a “risolvere” il problema tramite fusioni nucleari di altro tipo che ora coinvolgono l’elio e gli elementi successivi sintetizzati: sfortunatamente, però, tali reazioni sono meno efficienti a fornire condizioni di equilibrio come quelle possedute dalla stella durante la fase di sequenza principale.

Accade quindi che gli strati più esterni della struttura stellare iniziano ad essere soggetti a vere pulsazioni - rilevate tramite l'effetto Doppler presente nelle righe spettrali - causate da successive espansioni e contrazioni delle aree periferiche, meno dense, che vanno alla ricerca di equilibrio: la conseguenza principale è la variazione del raggio stellare, che a sua volta provoca cambiamenti più o meno evidenti nella sua luminosità, portando la stella ad attraversare la cosiddetta “fascia di instabilità” nel diagramma HR e divenendo “variabile”.

Molte di tali stelle che evidenziano variazioni luminose di grande ampiezza - Cefeidi, RR Lyrae e Delta Scuti – esibiscono curve di luce regolari, rispettando sia l’ampiezza della variazione di luce che la durata del ciclo stesso durante la quale questa avviene. Vi sono però altre stelle, giganti o supergiganti di elevata luminosità ma dalla bassa temperatura superficiale, che mostrano si una certa periodicità nelle loro variazioni luminose accompagnata però da irregolarità tali da giungere, a volte, addirittura ad interrompere il ciclo. Tali variabili, chiamate appunto “semi-regolari”, possono esibire cicli dalla lunghezza variante da 20 fino a più di 2000 giorni e curve di luce possono essere differenti anche da ciclo a ciclo; nel campionario delle semiregolari conosciute, le ampiezze luminose variano da alcuni centesimi di magnitudine fino a diverse unità utilizzando filtri V.

Nel corso di lunghi anni di studi ed interpretazioni dei dati osservativi, è stato notato come nelle stelle più vecchie, cosiddette “di popolazione II”, tali irregolarità aumentano gradualmente passando dalle variabili di tipo W Virginis (corto periodo) alle RV Tauri giungendo, infine, proprio alle variabili semiregolari.

In una stella che esibisce pulsazioni, il rapporto tra l’ampiezza della variazione luminosa e il flusso di energia emesso è misurato dal cosiddetto “tasso di decadimento dell'ampiezza” come avverrebbe in una normale “modalità di pulsazione”. Nelle classi di stelle variabili di tipo regolare sopra citate, tale parametro è pari al 2%; ma per stelle dal rapporto massa/luminosità ancora maggiore - giganti e supergiganti fredde - tale parametro oltrepassa anche il 30%: simili valori possono risultare unicamente da dinamiche caotiche che accadono al di sotto delle superfici di queste stelle colossali.

Alcune di queste variabili semiregolari mostrano a volte non un solo massimo di luminosità ma addirittura due massimi, differenziati quindi in “primario” e “secondario” relativamente all’intensità luminosa raggiunta. Prossimamente, una di queste variabili irregolari esibirà il suo secondo massimo di luminosità nel corrente anno: V Bootis, presente nella costellazione del Bifolco, situata 1° a nord-ovest della stella di terza grandezza Seginus (γ Bootis). V Bootis è una gigante rossa di tipo spettrale M6E cui corrisponde una temperatura superficiale dell’ordine dei 2800 K, freddissima quindi tanto da essere una delle stelle più rosse conosciute; le sue dimensioni, tuttavia, la portano ad essere così luminosa che le variazioni luminose si estendono tra le magnitudini 12, quando è al minimo, e 7 allorché diviene una delle più luminose variabili di tipo semiregolare presenti nell’emisfero celeste settentrionale, il tutto dalla più che ragguardevole distanza di 803 anni-luce: i massimi primari di questa stella possono anche arrivare a metà tra la settima e l’ottava grandezza mentre quelli secondari sono di qualche decimo di magnitudine più deboli. Essa vene scoperta a cavallo tra il XIX e il XX secolo e da allora è stata seguita abbastanza assiduamente dai variabilisti. Nei primi anni del secolo scorso, l’ampiezza luminosa di questa era molto maggiore di quanto oggi esibito e la stessa curva di luce era molto più regolare di quanto non abbia fatto per circa un decennio, precisamente dalla metà degli anni ‘80 fino a metà anni ’90 del secolo scorso. Stranamente, nel 2011 V Boo non esibì alcun massimo doppio, tornando a manifestarlo con l’anno successivo. Nel corrente anno, il massimo principale si è già verificato attorno all'8 Febbraio.

Una delle particolarità di V Boo è di essere un cosiddetto “pulsatore multi-modale”. Quale significato dietro questo strano termine? Quando una stella è sottoposta a pulsazioni, le componenti radiali e angolari di tali fenomeni vengono descritti secondo una “modalità” matematica chiamata appunto, “di pulsazione”. Vi sono stelle che subiscono "pulsazioni in modalità radiale", soggette a pulsazioni che avvengono con perfetta simmetria sferica; "pulsazioni non radiali", al contrario, descrivono pulsazioni che però avvengono in cui alcune parti della struttura esterna della stella: parti di essa si muovono verso l'interno contemporaneamente ad altre parti che, al contrario, si espandono verso l'esterno. La conseguenza di questo strano fenomeno è che la curva di luce di V Bootis, dettata quindi non da uno solo ma da due differenti tipi di pulsazione, appare notevolmente complessa. Le due modalità di pulsazione esibite da V Bootis sono entrambi radiali ma di ordine diverso: l’una con un periodo di circa 258 giorni, la più corta di circa 134 giorni. Succede, a volte, che queste due modalità vanno a interferire l’un l’altra, portando gli strati di gas ad esse soggetti letteralmente a scontrarsi: a volte in modo costruttivo, altre in modo distruttivo, con il risultato che la luce della stella è indotta ad avere dei massimi di luce più evidenti in alcuni momenti e apparendo più debole in altri.

Il comportamento di V Bootis, nel corso di oltre centro anni di osservazioni, si è distinto per essere stato tutt’altro che “normale”. Numerose osservazioni visuali, alcune delle quali risalenti addirittura alla prima decade dello scorso secolo, sono state infatti utilizzate in recenti ricerche che hanno evidenziato una vera e propria evoluzione di natura caotica nel suo comportamento fotometrico. Il periodo primario, come detto, pari a circa 258 giorni, ha un’ampiezza massima pari a 0,5 magnitudini, valori che nel corso degli ultimi 80 anni sono rimasti più o meno invariati. Al contrario, l'ampiezza delle variazioni luminose del periodo secondario, quello lungo 137 giorni: è andata diminuendo nel tempo: tra il 1913 e il 1930 era di 2,8 magnitudini e scese a 2 magnitudini tra il 1930 e il 1970, diminuendo da allora fino a 0,5 magnitudini nel 1994! Al giorno d’oggi, entrambi i periodi possiedono la stessa ampiezza in luminosità ed interagiscono tra loro creando così una curva di luce intricata, dall’ampiezza ora pari ad una sola magnitudine ma evidentemente destinata ad azzerarsi nei prossimi anni, stando alla tendenza.

Il comportamento odierno di V Bootis è quindi alquanto differente da quello che la stella esibiva all’inizio dello scorso secolo, epoca nella quale il suo comportamento ricalcava quello di una variabile pulsante a lungo periodo del tipo Mira: la notevole particolarità di questa gigante rossa sta quindi nell’aver mostrato in tempi relativamente brevi una reale evoluzione nella modalità della variazione e nella diminuzione delle ampiezze luminose, unica stella ad aver esibito queste affascinante proprietà di trasmutazione, passando dall’essere una mireide a divenire una semiregolare nel giro di un secolo, ma le cui cause restano del tutto ignote.

Basically, a star is a ball of gases arranged by a density gradient from the dense core to the thin surface and held together by their own gravity. Such a force would bring the entire structure to collapse on itself but, in a perfect blend of balance known as "hydrostatic-support", it is opposed by the radiation pressure developed by the presence of hot gas in its core and mostly by the energy there produced.

At the time of the birth of a star, such a perfect condition takes over when the triggering of nuclear reactions in its core are set, exactly those that produce the energy then emitted by the star itself in the form of light and heat; the duration of this equilibrium stage - also called the "main sequence", in relation to the position occupied by the star in the HR diagram - is in close relation to the speed at which it melts hydrogen into helium in the core. Logically, the time duration of the main sequence phase of a star is so closely related to its mass: the higher this is the fast the star starts to run out its stock of hydrogen and, of course, the opposite occurs. At a time when "fuel" hydrogen leads to exhaustion, the hydrostatic-support is clearly to cease: losing balance which has lead the star by providing it a quiet life, the star is going to "solve" the problem through new nuclear fusions, now involving helium and subsequent elements synthesized: however, these reactions are unfortunately less efficient to provide equilibrium conditions as those held by the star during the main sequence phase.

It therefore happens that the outer layers of stellar structure begin to be subjected to real pulsations - as the Doppler effect detects in the spectral lines - caused by successive expansions and contractions of the outer gas layers, less dense than the inner ones, who go searching for balance: the main consequence is the variation of the star radius, which in turn causes changes more or less evident in its brightness, bringing the star to pass through the so-called "instability strip" in the HR diagram and becoming "variable".

Many of these stars that highlight variations in light of great amplitude - Cepheid, RR Lyrae and Delta Scuti - exhibit light curves regular, respecting both the amplitude of the variation of light that the duration of the cycle during which this takes place. However, there are other stars, giants or supergiants of high luminosity but with low surface temperatures, that show a certain periodicity in their light changes accompanied by irregularities such as to let, sometimes, even to break the cycle itself. These kind of variable stars, called "semi-regulars", may exhibit cycles of length ranging from 20 to more than 2000 days and light curves that can be different even from cycle to cycle; in the sample of semiregular known, bright amplitudes ranging from a few hundredths of a magnitude up to several units using V filters.

In the course of long years of studies and interpretations of the observational data, it was noted that in the older ones - the so-called "Population II" stars - these irregularities increase gradually moving from variables of type W Virginis (short-term) through the RV Tauri and coming finally at the semiregular variables.

In a star that exhibits pulsations, the ratio between the amplitude of light variation and the flow of energy emitted is measured by the so-called "rate of decay amplitude" in a standard "mode of pulsation." In the classic variables above mentioned, such a parameter is equal to 2%; but for stars with the mass / luminosity ratio even higher - cold giants and supergiants - it exceeds even 30%: such values ​​can be only produced by chaotic dynamics occurring below the surface of those colossal stars.

Some of these semiregular variables show sometimes not only one but two different brightness maximum, then differentiated into "primary" and "secondary" with respect to the light intensity reached. In the following weeks, one of these peculiar irregulars is going to perform his second maximum brightness in the current year: V Bootis, located in the constellation Bootis (the shepherd), just 1° north-west of the third magnitude star Seginus (γ Bootis). V Bootis is a red giant star of spectral type M6E, which corresponds to a surface temperature of the order of 2800 K, so cold to be one of the reddest stars known; its big size, however, led it to be so bright that its light variations extend in a range between magnitudes 12, when it is dim, and 7 when it becomes one of the most bright semiregulars present in northern celestial hemisphere, all of this from the very considerable distance of 803 light-years: the primary maximum of this star can even get halfway between the seventh and eighth magnitude while the secondary ones are just a few tenths of magnitude weaker. It was discovered in between the nineteenth and twentieth century and has since been followed assiduously enough from a lot of astronomers as well as amateur observers. Early in the last century, the amplitude of its light variations was much greater than today and the same light-curve shown was much smoother than it has done for nearly a decade, specifically from the mid-80s to mid-90s of last century. Oddly enough, in 2011, any maximum was present since the light curve was flat indeed; anyway, V Boo manifested it the following year. In the current year, the main maximum has already occurred, exactly on February the 8th.

Among its peculiarities, V Boo is even a so-called "multi-mode pulsator." But what is the meaning behind this kind of term? When a star is subjected to pulsations, the radial and angular components of these phenomena are described according to a mathematical “mode” called as "pulsation mode". There are stars that undergo "radial pulsation mode", thus subjected to pulsations that occur with perfect spherical symmetry; on the contrary, "non-radial pulsations mode" describes pulsations that occur, however, in some parts only of the external structure of the star: strange but true, parts of it move inward simultaneously to other parts which, on the contrary, they expand outwards! The consequence of this strange phenomenon is that the light curve of V Bootis, then dictated not by one only but by two different types of pulsation, appears remarkably complex. The two modes of pulsation exhibited by V Bootis are both radial but of different order: one with a period of about 258 days, the shorter of about 134 days. It happens sometimes that these two modes go interfering each one other, bringing the layers of gas subject to literally clash: sometimes constructively, others in a destructive way, with the result that the light of the star is induced to have the maximum light more noticeable at some times and appearing weaker in others.

V Bootis behavior, in the course of over one hundred years of observations, has distinguished itself for being anything but "normal." Several visual observations, some of them dating back to the first decade of the last century, have revealed a real evolution, of chaotic nature, of its photometrics. The primary period, as mentioned, of about 258 days, had a maximum amplitude of 0.5 magnitudes ​​over the last 80 years and have remained more or less unchanged. On the contrary, light variation’s amplitudes of the secondary period, of about 137 days, have been decreasing over time: between 1913 and 1930 it was 2.8 magnitudes and went down to 2 magnitudes between 1930 and 1970, decreasing by then up to 0.5 magnitude in 1994! Nowadays, both periods have the same brightness amplitude and interact with each other thus creating a light curve very intricate, with the amplitude now equal to just 1 magnitude but evidently intended to become 0 in the coming years, according to the trend.

The current behavior of V Bootis is therefore somewhat different from what the star was performing at the beginning of last century, an era in which its behavior was identical to that of any long period Mira variable: the remarkable peculiarity of this red giant is then in having shown in a relatively short time a real evolution both in the variation mode and the light amplitudes that are decreasing. V Bootis is the only star to have performed these fascinating properties of transmutation, going from being Mira to become a semiregular in the space of a century but the causes remain still completely unknown.