Gli astronomi vedono prove allettanti di una delle prime stelle a formarsi nell’universo

Secondo il modello cosmologico predominante, le prime stelle nell’Universo si sono formate circa 100.000 anni dopo il Big Bang. Conosciute come stelle di Popolazione III, queste prime masse stellari erano molto grandi, di breve durata e non contenevano praticamente metalli o elementi pesanti. Nel tempo, elementi come carbonio, azoto, ossigeno e ferro si sono formati al loro interno attraverso la nucleosintesi. Quando queste stelle hanno raggiunto la fine della loro vita, sono esplose in una supernova molte volte più grande di qualsiasi cosa vediamo oggi (una “super-supernova”), causando la dispersione di questi elementi nel cosmo.

Per decenni, gli astronomi hanno cercato di trovare prove di queste prime stelle, ma tutti i tentativi fino ad oggi sono falliti. Ma grazie a uno studio recente, un team guidato dall’Università di Tokyo pensa di aver finalmente individuato le prime tracce di una delle prime stelle dell’Universo. Durante l’analisi dei dati precedentemente ottenuti dal telescopio Gemini North del quasar più distante mai osservato, il team ha notato un’enorme nuvola di materiale attorno ad esso. Sulla base della loro analisi, ritengono che il materiale provenga da una stella di prima generazione dopo che è diventata “super-supernova”.

Lo studio, apparso di recente in Il diario astrofisico, è stato guidato da Yuzuru Yoshii, un professore laureato di astronomia presso l’Università di Tokyo e l’Osservatorio Steward presso l’Università dell’Arizona. È stato raggiunto da ricercatori del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), del Centro di ricerca per l’universo primordiale dell’Università di Tokyo (RESCEU), del Centro JINA per l’evoluzione degli elementi (JINA-CEE) dell’Università di Notre Dame e l’Osservatorio Mount Stromlo dell’Università Nazionale Australiana.

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Si pensa che le stelle di Popolazione III si siano formate circa 100.000 anni dopo il Big Bang. Credito: ESA/Hubble, M. Kornmesser.

Come indicano nel loro studio, il team ritiene che la spiegazione più probabile di ciò che hanno osservato sia che il materiale sia i resti di una stella di prima generazione esplosa come una supernova a instabilità di coppia (ovvero una “super-supernova”). Questi accadono quando i fotoni al centro di una stella si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni – la controparte di antimateria dell’elettrone – che riduce la pressione di radiazione all’interno della stella, provocandone il collasso. Proprio come il collasso delle stelle di Popolazione I e II dopo aver esaurito il loro idrogeno ed elio, questo processo ha fatto sì che le stelle di Popolazione III diventassero supernova.

Sebbene un tale evento non sia mai stato assistito, si teorizza che si verifichi quando stelle gigantesche (tra 150 e 250 masse solari) raggiungono la fine della loro vita. A differenza di altre supernove, una supernova a instabilità di coppia non lascia resti stellari ed espelle tutta la materia della stella nell’ambiente circostante. Inoltre, gli astronomi teorizzano che questo materiale conterrebbe oltre dieci volte più ferro del magnesio rispetto al rapporto di questi elementi nel nostro Sole. A causa delle loro caratteristiche peculiari, ci sono solo due modi per trovare prove delle stelle di Popolazione III.

In primo luogo, gli astronomi possono tentare di osservare una supernova con instabilità di coppia mentre accade, le cui probabilità sono molto ridotte. In secondo luogo, possono tentare di rilevare il materiale che queste stelle espellono nello spazio interstellare identificando la sua firma chimica. In questo caso, Yuzuru e i suoi colleghi si sono affidati a quest’ultimo metodo, quello di consultare le precedenti osservazioni fatte con lo spettrografo Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) sul Gemini North Telescope da 8,1 metri.

Questo telescopio è uno dei due (situati negli emisferi settentrionale e meridionale) che compongono l’Osservatorio internazionale dei gemelli, gestito dal National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab). Per identificare le quantità di ciascun elemento presente, il team ha utilizzato un metodo analitico sviluppato da Yuzuru e dal coautore Hiroaki Sameshima, un ricercatore associato al progetto presso la Graduate School of Science dell’Università di Tokyo. Questo metodo prevede la misurazione dell’intensità delle lunghezze d’onda nello spettro del quasar, da cui vengono estratti gli spettri chimici del materiale.

Gemini North Observatory, situato in cima a Maunakea, Hawaii. Credito: Osservatorio Gemini/AURA

Dalla loro analisi, Yuzuru e i suoi colleghi hanno notato che il materiale espulso conteneva oltre dieci volte più ferro del magnesio rispetto al rapporto di questi elementi che si trovano nel nostro Sole. Come ha spiegato Yuzuru in un comunicato stampa di NOIRLab:

“Per me era ovvio che la supernova candidata per questo sarebbe stata una supernova a instabilità di coppia di una stella di Popolazione III, in cui l’intera stella esplode senza lasciare alcun residuo dietro. Sono stato felice e in qualche modo sorpreso di scoprire che una supernova a instabilità di coppia di una stella con una massa circa 300 volte quella del Sole fornisce un rapporto tra magnesio e ferro che concorda con il basso valore che abbiamo derivato per il quasar.

Ricerche simili sono state condotte in passato, dove gli astronomi hanno cercato prove chimiche delle stelle di Popolazione III nella Via Lattea. E mentre un’identificazione provvisoria è stata fatta nel 2014, Yuzuru e il suo collega ritengono che questi nuovi risultati siano l’indicazione più chiara di una supernova con instabilità di coppia fino ad oggi. Se le loro scoperte saranno confermate, forniranno nuove informazioni su come il nostro Universo si è evoluto da quando si sono formate le prime stelle e galassie. Nel frattempo, sono necessarie più osservazioni per vedere se ci sono altri oggetti là fuori che hanno caratteristiche simili.

La prova di queste stelle potrebbe essere trovata anche all’interno della Via Lattea, dove i materiali espulsi dalle stelle primordiali potrebbero essere trovati tra gli oggetti nel nostro Universo locale. Con questo ultimo studio, gli astronomi hanno ora un potenziale percorso per identificare le firme chimiche delle stelle che hanno svolto un ruolo vitale nell’evoluzione del cosmo, hanno dato origine ai primi pianeti e persino alla vita stessa.

Ulteriori letture: NOIR Lab, Il diario astrofisico

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