Ilaria Caiazzo at the Zwicky Transient Facility, in Palomar. The telescope behind her, the 48-in Samuel Oschin, helped her discover Janus (Photo courtesy of Ilaria Caiazzo)

She discovered a star and named it Janus, after the ancient Roman deity of gates and doors, a mythological figure depicted with two faces.

Ilaria Caiazzo, a theoretical astrophysicist from Italy who works at the California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, was in charge of the team that led to the discovery of a star – called a white dwarf – that, like Janus, has the characteristic of having two faces, one made of hydrogen and one of helium. “They are called dwarfs because they are very small,” Caiazzo explains. “And white because when they were found they were not very bright, especially if you think that stars tend to be redder than the sun. White dwarfs are the last stage in the evolution of small- and medium-mass stars.”

34, born in Piedmont and raised in Savona, Liguria, after studying physics between Genoa and Milan, and after a doctorate at the University of British Columbia in Vancouver, Caiazzo arrived at Caltech in Pasadena with a Bruke Prize Fellowship in October 2019. “At Caltech, I mainly work on star corpses. When a star runs out of hydrogen or helium and has no way to burn, it stops producing energy and becomes a ‘white dwarf.’ What determines how long a star lives is its mass: smaller stars live longer, larger stars have more material to burn but burn it faster. A star larger and brighter than the sun lives about 100 million years. The sun will live 10 billion years”. 

Taking a step back, what is a star from a scientific point of view and how do they differ from each other?

A star is a cluster of gas that burns by nuclear fusion in its center. Stars differ in mass: for example, the Sun is a small star, while there are stars that have a mass 50 times greater than that of the Sun. At around 1/10th of the Sun’s mass, stars are too low in mass and cannot feed themselves.

Tell us about your discovery.  

Janus is a white dwarf, that is, a cadaver star like the Sun; however, the parent of this star was at least seven times the size of the Sun. I discovered it using a telescope located at the Mount Palomar Observatory in San Diego, the Zwicky Transient Facility, a telescope built in the 1940s, which photographs the sky every night, managing to cover almost the entire Northern Hemisphere. It was built to find things that explode and detect what’s new by comparing images between them. I observed it many times afterward as well, because when you discover something so strange you want to make sure it is true. I observed it with different telescopes.

Italian astrophysicist Ilaria Caiazzo, one of the many Italian researchers working in the US (Photo: Jakub Ostrowski Photography)

How many telescopes have you used?

At Mount Palomar in addition to the telescope from the 1940s, which is 48 inches wide and two meters or so in length, there is also another 5-meter telescope, also built in the 1940s and called The Big Eye. I also used the Keck Observatory in Hawaii, on Big Island. There’s also a telescope that’s in space, the Swift Telescope, that can see ultraviolet rays and therefore can confirm temperature; I also used a telescope in Las Palmas, Canary Island. And finally … it all added up!

How old is Janus and what are its characteristics?

We do not know the age of Janus. The fact that it rotates so fast suggests it is the result of two stars that merged together. Its age is probably 1 billion years.

A few years ago you discovered another white dwarf, the smallest ever observed, and now Janus, a two-sided white dwarf. What sparked your interest in this type of star?

I became interested in finding white dwarfs that change in brightness periodically; my interest was finding magnetic white dwarfs that rotate on themselves. Several years ago, I published a paper in Nature because I had found a white dwarf that rotated on itself every 7 minutes within a very strong magnetic field. Consider that the Earth rotates on itself every 24 hours, the Sun every 27 days, and white dwarfs every few hours. This information is valuable because it tells us white dwarfs are not the daughters of one star but of two. Stars are often in a binary pair: if both become white dwarfs and if they are close enough, they emit gravitational waves (gravitational waves were discovered at Caltech in 2015, a discovery that later led Kip Thorne, Ray Weiss and Barry Barish to win the Nobel Prize) that carry away energy, so in such a situation, the orbits get smaller and smaller until they collide. This happens for all stellar corpses and also for white dwarfs. These super-magnetic objects are almost certainly the result of a merger between two white dwarfs.

What do we still not know about stars?

Many things, such as how many stars there are and how they merge together. In some cases, white dwarfs merge, in others, they explode into a supernova. Supernovae are very important in astronomy because they allow us to measure the distance and expansion of the universe.

How did your passion for the stars come about?

It doesn’t come from childhood like it usually happens. In my family, no one works in the field of science. In college I enrolled in philosophy, then I moved to physics, and later I moved from particle physics to theoretical physics. So, I came to astronomy following an unusual path. When I studied philosophy I was interested in metaphysics, in questions like: where do we come from, who are we, what is time, what is space… so the move to physics was also because of that, because these are questions that quantum physics also asks. 

Did you get those answers?

No, absolutely not. I asked myself even more questions. But studying physics helped me understand what questions I need to ask myself.

Is there anything that surprised you from this point of view? 

In the 1800s they believed everything could be explained mechanically with laws of physics, and then in the 1900s quantum mechanics came along and turned everything upside down. We realized the laws of physics are true and work but that we cannot understand them, they are beyond our understanding. 

Do you collaborate with any Italian entities?

I am part of a team at this telescope called IXPE, the Imaging X-ray Polarimetry Explorer, a space observatory based on the collaboration between ASI and the US Space Agency. The observatory consists of three telescopes designed for studies based on cosmic X-ray polarimetry. With this, we study neutron stars, another type of star corpses.

What are your plans for the future?

I will be at Caltech until May 2024. Then I’m moving to Vienna where I won a professorship at a research institute, founded in 2009, that is establishing an astronomy group. I will be teaching and doing research. It is an international center with several departments: neuroscience, computer science, chemistry, etc. They want to expand, there are 75 groups and they want to grow to 150 in the next ten years.

Ha scoperto una stella e l’ha chiamata Janus, come Giano, antica divinità romana dei cancelli e delle porte, figura mitologica raffigurata con due volti. Ilaria Caiazzo, astrofisica teorica italiana che lavora presso il California Instiute of Technology (Caltech) di Pasadena, ha guidato il team che ha portato alla scoperta di una stella – chiamata nana bianca – che, come Janus, ha la particolarità di avere due facce, una a idrogeno e uno a elio. “Si chiamano nane perché sono molto piccole” ci spiega Caiazzo. “E bianche perché quando sono state trovate erano poco luminose, mentre le stelle tendono a essere più rosse del sole. Le nane bianche sono l’ultima fase dell’evoluzione delle stelle di massa piccola e medio-piccola”. 

34 anni, nata in Piemonte e cresciuta a Savona, in Liguria, Caiazzo dopo aver studiato fisica tra Genova e a Milano, e dopo un dottorato all’Università della British Columbia di Vancouver, è arrivata alla Caltech di Pasadena con una Bruke Prize Fellowship nell’ottobre del 2019. “Alla Caltech mi occupo principalmente di cadaveri di stelle. Quando una stella finisce l’idrogeno o l’elio e non ha più modo di bruciare, smette di produrre energia e diventa una “nana bianca”. Quello che determina la vita di una stella è la massa: le stelle più piccoli vivono più a lungo, quelle grandi hanno più materiale da bruciare ma lo bruciano più velocemente. Una stella più grande e più luminosa del sole vive circa 100 milioni anni. Il sole vivrà 10 miliardi di anni. 

Facendo un passo indietro, cosa è una stella da un punto di vista scientifico e come si differenziano tra loro?

La stella è un ammasso di gas che brucia a fusione nucleare nel suo centro. Le stelle si differenziano per la massa: il Sole ad esempio è una stella piccola, mentre ci sono stelle che hanno una massa 50 volte più grande di quella del Sole. Intorno a 1/10 della massa solare le stelle sono troppo poco massive e non riescono ad auto-alimentarsi. 

Raccontaci della tua scoperta.  

Janus è appunto una nana bianca, ovvero una stella cadavere come il sole, il genitore di questa stella era però grande almeno sette volte il sole. L’ho scoperta usando un telescopio che si trova all’Osservatorio di Monte Palomar a San Diego, lo Zwicky Transient Facility, telescopio costruito negli anni ’40, che fotografa il cielo tutte le notti, riuscendo a coprire quasi tutto l’emisfero Nord. È stato costruito con l’obiettivo di trovare cose che esplodono e individuare cosa c’è di nuovo comparendo le immagini tra loro. L’ho osservata molte volte anche dopo, perché quando scopri una cosa così strana vuoi assicurarti che sia vero. L’ho osservata con diversi telescopi.

Quanti telescopi hai usato?

A Monte Palomar oltre al telescopio degli anni ‘40, che è largo 48inches, due metri circa, ce ne è anche un altro di 5 metri, anche questo costruito negli anni ’40 e chiamato The Big Eye. Poi l’osservatorio Keck alle Hawaii, a Big Island, poi c’è anche un telescopio che è nello spazio, lo Swift Telescope che in grado di vedere gli ultra-violetti e quindi riesce a confermare la temperatura; ho usato anche un telescopio a Las Palmas, isola delle Canarie. Insomma, alla fine tutto quadrava! 

Quanti anni ha Giano e che caratteristiche ha?

Non sappiamo l’età di Giano. Il fatto che ruoti così velocemente fa pensare che sia il risultato di due stelle che si sono fuse tra loro. Probabilmente la sua età è 1 miliardo di anni. 

Qualche anno fa hai scoperto una nana bianca, la più piccola mai osservata, e ora Janus, nana bianca a due facce. Da cosa nasce l’interesse particolarmente per le nane bianche?

Mi sono interessata a trovare nane bianche che variano luminosità periodicamente, il mio interesse era trovare nane bianche magnetiche che ruotano su sé stesse. Diversi anni fa su Nature ho pubblicato un paper perché avevo trovato una nana bianca che ruota su sé stessa ogni 7 minuti in un campo magnetico fortissimo. Considera che la terra ruota su sé stessa ogni 24 ore, il Sole ogni 27 giorni, le nane bianche ogni tot ore. Queste informazioni sono preziose perché ci dicono che queste nane bianche non sono figlie di una stella sola ma di due. Le stelle spesso sono in una coppia binaria, se entrambe diventano nane bianche e se sono abbastanza vicine, le due nane bianche emettono onde gravitazionali (onde gravitazionali scoperte da del Caltech nel 2015, scoperta che poi è valsa il Nobel a Kip Thorne, Ray Weiss e Barry Barish) che portano via energia, quindi in una situazione simile, le orbite diventano sempre più piccole, fino a che non collidono. Questo succede per tutti i cadaveri stellari e anche per le nane bianche. Questi oggetti super-magnetici sono quasi sicuramente il risultato di una fusione tra due nane bianche.

Cosa è che ancora non si sa delle stelle? 

Molte cose, ad esempio quante stelle ci sono e come si fondono tra loro. In alcuni casi le nane bianche si fondono, in alti esplodono in una supernova. Le supernove sono importantissime in astronomia perché permettono di misurare le distanze e l’espansione dell’universo. 

Come è nata la tua passione per le stelle?

Non è una passione nata durante l’infanzia. Nella mia famiglia nessuno lavora nel campo della scienza. All’università mi sono iscritta a filosofia, poi mi sono spostata sulla fisica e in seguito dalla fisica particellare mi sono spostato sulla fisica teorica. Infine all’astronomia ci sono arrivata in maniera non diretta. Della filosofia mi interessava la metafisica, domande come: da dove veniamo, chi siamo, cosa è il tempo, cosa è lo spazio, quindi il passaggio alla fisica è avvenuto anche per questo perché sono domande che si pone anche la fisica quantistica.

Ti sei data delle risposte?

No, assolutamente no. Mi sono fatta ancora più domande. Però studiare la fisica mi ha aiutato a capire quali sono le domande che devo pormi.  

C’è qualcosa che ti ha stupito da questo punto di vista? 

Il fatto che nell’800 si pensava che tutto potesse essere spiegato in maniera meccanica con leggi della fisica, e poi è arrivato il 900 con la quantistica che ha sconvolto tutto. Ci siamo resi conto che le leggi della fisica sono vere e funzionano ma che noi non le possiamo capire, sono al di là della nostra comprensione. 

Collabori con qualche realtà italiana?

Faccio parte di un team di questo telescopio che si chiama IXPE, l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer, che è un osservatorio spaziale frutto della collaborazione tra l’ASI e l’Agenzia Spaziale Americana. L’osservatorio è composto da tre telescopi progettati per studi basati sulla polarimetria dei raggi X cosmici. Con questo studiamo le stelle di neutroni, che è un altro tipo di cadavere di stella. 

Che progetti hai per il futuro?

Starò alla Caltech fino a maggio. Poi mi trasferisco a Vienna dove ho vinto una cattedra in un Istituto di ricerca, fondato nel 2009, che sta creando un gruppo di astronomia. Insegnerò e farò ricerca. È un centro internazionale con diversi dipartimenti: neuroscienza, computer science, chimica ecc. Vogliono espandersi, sono 75 gruppi e vogliono arrivare a 150 nei prossimi dieci anni. 

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