Variabile ORG

Una variabile ORG (Oscillating Red Giants, lett. Giganti Rosse Oscillanti) è un tipo di stella variabile pulsante.

Dai cataloghi TESS e AGK3 (terza versione del Astronomische Gesellschaft Katalog)^[1], emerge che queste stelle appartengano alla classe spettrale K (più raramente G o M), con temperatura superficiale intorno a 4 800 K e un raggio generalmente compreso tra 8 e 40 volte quello solare: dunque appartengono alla classe delle giganti arancioni nel Diagramma Hertzsprung-Russell. Sono catalogate come variabili pulsanti che mostrano, nello specifico, oscillazioni di piccola ampiezza (tra 0,002 e 0,02 magnitudini), non simmetricamente radiali.^[2] Le stelle variabili pulsanti sono variabili fisiche o intrinseche, in cui le oscillazioni luminose sono causate da variazioni nelle condizioni fisiche della stella; esse, pertanto, mostrano sempre una variazione di luminosità a qualunque ipotetico osservatore galattico, indipendentemente dalla sua posizione e dal suo orientamento nello spazio rispetto alla stella.

I meccanismi che generano la pulsazione osservata nelle variabili ORG sono legati alla presenza di un ampio inviluppo convettivo, tipico delle giganti rosse. I moti convettivi negli strati esterni generano fluttuazioni casuali di pressione che eccitano in modo stocastico un insieme di oscillazioni di tipo solar-like, prevalentemente sotto forma di onde di pressione (modi p),^{[3][Nota 1]} successivamente smorzate dai processi dissipativi interni. Un comportamento analogo è presente anche nel Sole, ma nel suo caso le oscillazioni restano di ampiezza estremamente ridotta e non danno luogo a una variabilità fotometrica apprezzabile.

A causa della forte stratificazione interna, con un nucleo molto denso circondato da un inviluppo esteso e poco denso, nelle giganti rosse le oscillazioni non radiali possono accoppiarsi con onde di gravità (modi g)^{[Nota 2]} confinate nelle regioni profonde. Questo accoppiamento dà origine ai modi misti p-g, che risultano osservabili in superficie grazie alla loro componente acustica, pur rimanendo sensibili alle condizioni fisiche del nucleo.

Di conseguenza, le giganti rosse rappresentano uno dei pochi casi in cui oscillazioni osservabili in superficie forniscono informazioni dirette sulla struttura interna profonda della stella, in particolare sullo stato evolutivo e sulla dinamica del nucleo. La presenza simultanea di modi p dominanti e di numerosi modi misti produce spettri di frequenza complessi e una variabilità luminosa di piccola ampiezza.^[4][5]

Sebbene questo tipo di variabile sia stato studiato fin dal 2015^[6] il suo prototipo è stato riconosciuto in modo univoco per la prima volta nel giugno 2023 dal gruppo di ricerca italiano del GrAG (Gruppo Astrofili Galileo Galilei APS). La stella in questione (BD+39°4593), denominata GrAGVar036, si trova nella costellazione del Cigno, appartiene alla classe spettrale K0, ha un raggio intorno a 14-15 raggi solari e ha una magnitudine apparente di 9,04 nella banda del visibile. È stata inizialmente sottoposta all'AAVSO, che cura il principale catalogo pubblico di stelle variabili. Il 4 luglio 2023 l'AAVSO ha validato le conclusioni preliminari del team italiano e ha censito per la prima volta la categoria delle stelle variabili tipo "ORG"^[7] di cui GrAGVar036 è la capostipite.^[8][9]

La scoperta è stata resa possibile anzitutto dalla notevole evoluzione dei sistemi di rilevamento. La comprensione della struttura delle stelle variabili e la loro evoluzione nel tempo hanno avuto un’enorme accelerazione grazie al riesame di molti insiemi di dati e ai risultati di numerose missioni spaziali. Sino a non molti anni fa era possibile applicare i metodi di indagine dell'astrosismologia - scienza che studia i moti di oscillazione interni delle stelle per agevolare la comprensione della loro struttura ed evoluzione nel tempo - solo al Sole e a poche altre stelle molto più calde e caratterizzate da pulsazioni molto intense. I primi lavori di elevato dettaglio sono stati possibili, grazie al lavoro del satellite SOHO sulla nostra stella (eliosismologia).

Lo studio approfondito delle variabili pulsanti ha anche applicazioni pratiche in cosmologia (essendo nota una relazione periodo-luminosità nelle variabili cefeidi, esse possono essere utilizzate per stimare la distanza delle galassie e degli ammassi stellari che ne ospitano) e permetterà via via di comprendere meglio anche l'evoluzione dello stesso Sole. Questo studio, negli ultimi decenni, è stato facilitato anche dalla enorme mole di dati resi disponibili agli studiosi, raccolti da:

• i satelliti CoRoT (febbraio 2007 – novembre 2012)^[3], missione dedicata espressamente anche all'astrosismologia e Kepler (giugno 2009-ottobre 2018), il cui KIC (Kepler Input Catalog) è pubblico e dispone di rilevazioni su 13,2 milioni di stelle;
• GAIA, missione dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), iniziata a dicembre 2013 e operativa dal luglio 2014, con una durata di missione che è stata estesa sino al 2025,^[10] alla luce dei risultati ottenuti nella missione. Dotata di un telescopio con sensori di posizione in grado di misurare la posizione di stelle e oggetti celesti con alta precisione, registrando anche i loro movimenti nel corso del tempo, ha l'obiettivo di creare una mappa tridimensionale precisa della nostra Galassia, catalogando posizione, luminosità, temperatura e composizione chimica di oltre un miliardo di stelle;
• TESS (dal luglio 2018), missione che ha sostanzialmente raccolto il testimone di Kepler.^[11][12] Il suo obiettivo principale è la scoperta e lo studio di pianeti extrasolari (esopianeti) che orbitano attorno a stelle al di fuori del nostro sistema solare, utilizzando il metodo di osservazione dei transiti. TESS è dotato di quattro telecamere a bassissima distorsione che catturano immagini di una vasta area del firmamento, divisa in 26 settori di osservazione, ciascuno dei quali viene monitorato a rotazione per circa 27 giorni.^[13]

In futuro si potrà contare anche sui dati della missione PLATO, il cui lancio è previsto per il 2026 e che verrà collocata nel punto di Lagrange L₂ del sistema Terra-Sole. La disponibilità di una simile mole di informazioni, e la raggiunta precisione di rilevamento, rendono possibile l'analisi di fenomeni di entità sempre minore, in prospettiva anche quelli relativamente modesti tipici del Sole, in una maggiore varietà di stelle di diverse dimensioni, sino ad arrivare come visto alle giganti rosse. Anche nell'ambito della ricerca amatoriale è importante utilizzare sia le curve di luce sia le fotografie pubblicate sui siti professionali, i cui dati sono pubblici.

Le principali fonti utilizzate dal GrAG sono soprattutto:

• il satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), già citato in precedenza, missione spaziale della NASA dedicata al monitoraggio fotometrico di gran parte del cielo con elevata precisione, impiegata anche per studi di variabilità stellare;

Insieme a grandi survey fotometriche sinottiche da terra, in particolare:

• lo ZTF (Zwicky Transient Facility), attivo da febbraio 2018 e gestito dalla California Institute of Technology (Caltech), che utilizza il telescopio Samuel Oschin da 48 pollici presso l’Osservatorio di Monte Palomar per il monitoraggio sistematico del cielo e l’individuazione di oggetti variabili e transitori;

• la sezione per l’emisfero nord dell’ASAS (All-Sky Automated Survey for Supernovae), gestita dall’Università di Varsavia, che opera tramite una rete di telescopi distribuiti a livello globale per la sorveglianza continua del cielo e il follow-up di fenomeni variabili.

Stelle con un comportamento analogo a quello di GrAGVar036 sono state individuate e studiate anche da gruppi di ricerca professionali. Tra questi figura l’Institute for Astronomy dell’Università delle Hawaii, accreditato come co-scopritore della tipologia nel catalogo dell’AAVSO. L’individuazione delle giganti rosse oscillanti è dunque recente, ma si inserisce in un filone di ricerca già presente in letteratura; in questo contesto si colloca, ad esempio, il lavoro di Marc Hon e collaboratori del 2021,^[14] citato anche nella documentazione del catalogo AAVSO.

Lo studio di Hon et al. si basa sull’analisi automatica di grandi volumi di dati TESS mediante algoritmi di machine learning, che consentono di selezionare campioni molto ampi di stelle con caratteristiche statisticamente compatibili con quelle delle giganti rosse oscillanti. Tali approcci risultano particolarmente efficaci per studi su larga scala e per la caratterizzazione globale delle popolazioni stellari.

Il numero elevato di candidati individuati con queste tecniche rende tuttavia necessario, ai fini della catalogazione di singoli oggetti, affiancare alle selezioni automatiche analisi fotometriche mirate e verifiche dirette delle curve di luce. Gli algoritmi di classificazione, infatti, in funzione dei criteri adottati e dei modelli utilizzati, producono inevitabilmente una percentuale di falsi positivi e falsi negativi, con livelli di precisione e accuratezza difficilmente quantificabili ex ante.

In questo quadro metodologico, l’introduzione della nuova tipologia di variabili nel catalogo AAVSO è stata favorita anche dal fatto che, per la prima volta, una proposta esplicita e motivata è stata sottoposta sulla base di un’analisi fotometrica diretta e approfondita di singoli oggetti, complementare agli studi automatici condotti su grandi campioni statistici.

L'importanza del lavoro amatoriale, in questo caso, è nell'avere individuato in modo indipendente la stella e averne studiato direttamente la fotometria dai dati TESS accertandone la natura con sicurezza. Anche alla base di questa ricerca, infatti, vi è stato l'utilizzo di modelli che sono stati sviluppati in cloud computing, ma con in più la volontà e la possibilità, deliberatamente valorizzata, di analizzare “manualmente” la fotometria delle singole stelle, osservando ad esempio visivamente le curve di luce. In tal modo è possibile notare ed apprezzare comportamenti peculiari e inconsueti che, come ampiamente riconosciuto anche dalla comunità scientifica professionale, i modelli numerici da soli potrebbero non captare. L'elemento umano è stato così anche in questo caso decisivo ed il ruolo dei ricercatori molto più prezioso dei soli modelli matematici.

Il GrAG è un’associazione di promozione sociale dedita alla divulgazione dell'astronomia e alla ricerca amatoriale nel settore. In poco più di un anno di attività dall'avvio del suo osservatorio astronomico, interamente realizzato dai soci nell'area messa a disposizione dall'Università Agraria di Monte Romano (VT), il gruppo di ricerca del GrAG ha scoperto oltre 47 nuove stelle variabili, appartenenti a diverse categorie, arricchendo anche in altri casi il lavoro degli astronomi professionali sui campi di ricerca più attuali e coinvolgendo nelle attività scientifiche oltre 20 citizen scientist, come sono chiamati dalla comunità scientifica internazionale gli astronomi non professionisti che si dedicano alla ricerca tramite appositi siti Internet. Nell'estate 2023 il gruppo di lavoro del GrAG ha scoperto una seconda variabile ORG, la GrAGVar037;^[15] al 14 dicembre 2025 ne sono state individuate in tutto tredici.

• È italiana la prima stella gigante rossa oscillante mai catalogata, su grag.org.
• (EN) Oscillating red giants in eclipsing binary systems: empirical reference value for asteroseismic scaling relation (PDF), su arxiv.org.

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