Trovate le tracce delle prime stelle dell’Universo

 

In un quasar lontano lontano, gli astronomi hanno individuato i resti chimici di questi astri esplosi come supernove miliardi di anni fa.

 

Gli astronomi potrebbero aver scoperto gli antichi resti chimici delle prime stelle dell’Universo. Questi astri non esistono più da tempo, perché si sono tutti spenti miliardi di anni fa ed è quindi impossibile vederle in vita oggi: stelle come il Sole vivono 10 miliardi di anni, ma quelle più grosse e massicce, come appunto le primordiali, hanno una vita media di poche centinaia di milioni di anni.

Bisognerebbe guardare nei più lontani anfratti cosmici, a milardi di anni luce di distanza, per osservare questi astri, dato che la luce proveniente da quelle distante e che ci giunge ora è stata emessa in quell’epoca remota.

Ma finora non si è vista manco una di queste stelle antiche. Utilizzando un’analisi innovativa di un quasar distante osservato dal telescopio Gemini North di 8,1 metri sulle Hawaii, gli scienziati hanno trovato un insolito rapporto di elementi che, sostengono, potrebbe provenire solo dai detriti prodotti dall’esplosione  di una stella di prima generazione di 300 masse solari.

Le primissime stelle probabilmente si sono formate quando l’Universo aveva solo 100 milioni di anni, meno dell’uno per cento della sua età attuale. Conosciute come stelle Popolazione III, erano così titanicamente massicce che quando finirono la loro vita come supernove si dilaniarono, seminando lo spazio interstellare con una miscela distintiva di elementi pesanti.

Nonostante decenni di diligenti ricerche da parte degli astronomi, tuttavia, non ci sono state prove dirette di queste stelle primordiali, fino ad ora.

Analizzando uno dei quasar più distanti conosciuti utilizzando il telescopio Gemini North, uno dei due telescopi identici che compongono l’International Gemini Observatory, gestito dal NOIRLab di NSF, gli astronomi ora pensano di aver identificato il materiale residuo dell’esplosione di una stella di prima generazione.

Utilizzando un metodo innovativo per dedurre gli elementi chimici contenuti nelle nubi che circondano il quasar, hanno notato una composizione molto insolita: il materiale conteneva oltre 10 volte più ferro che magnesio rispetto al rapporto di questi elementi trovati nel nostro Sole.

Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile di questa caratteristica sorprendente sia che il materiale è stato lasciato da una stella di prima generazione che è esplosa come una supernova con instabilità di coppia.

Queste versioni straordinariamente potenti delle esplosioni di supernova non sono mai state viste, ma sono teorizzate come la fine della vita di stelle gigantesche con masse comprese tra 150 e 250 volte quella del Sole.

Le esplosioni di supernova a instabilità di coppia si verificano quando i fotoni al centro di una stella si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni – la controparte di antimateria caricata positivamente dell’elettrone. Questa conversione riduce la pressione di radiazione all’interno della stella, consentendo alla gravità di superarla e portando al collasso e alla successiva esplosione.

A differenza di altre supernove, questi eventi drammatici non lasciano resti stellari, come una stella di neutroni o un buco nero, e invece espellono tutto il loro materiale nell’ambiente circostante.

Ci sono solo due modi per trovarne le prove. Il primo è quello di catturare una supernova con instabilità di coppia mentre accade, il che è un caso altamente improbabile. L’altro modo è identificare la loro firma chimica dal materiale che espellono nello spazio interstellare.

Per la loro ricerca, gli astronomi hanno studiato i risultati di una precedente osservazione effettuata dal telescopio Gemini North da 8,1 metri utilizzando lo spettrografo nel vicino infrarosso Gemini (GNIRS). Uno spettrografo divide la luce emessa dagli oggetti celesti nelle sue lunghezze d’onda costituenti, che trasportano informazioni su quali elementi contengono gli oggetti. Gemini è uno dei pochi telescopi delle sue dimensioni con attrezzature adeguate per eseguire tali osservazioni.

Dedurre le quantità di ciascun elemento presente, tuttavia, è uno sforzo difficile perché la luminosità di una linea in uno spettro dipende da molti altri fattori oltre all’abbondanza dell’elemento.

Due co-autori dell’analisi, Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima dell’Università di Tokyo, hanno affrontato questo problema sviluppando un metodo per utilizzare l’intensità delle lunghezze d’onda in uno spettro di quasar per stimare l’abbondanza degli elementi presenti lì.

È stato usando questo metodo per analizzare lo spettro del quasar che loro e i loro colleghi hanno scoperto il rapporto magnesio-ferro vistosamente basso.

“Era ovvio per me 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”, ha detto Yoshii. “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”.

Le ricerche di prove chimiche per una precedente generazione di stelle di popolazione III di grande massa sono state effettuate in precedenza tra le stelle nell’alone della Via Lattea e almeno un’identificazione provvisoria è stata presentata nel 2014.

Yoshii e i suoi colleghi, tuttavia, pensano che il nuovo risultato fornisca la firma più chiara di una supernova a instabilità di coppia basata sul rapporto di abbondanza magnesio-ferro estremamente basso presentato in questo quasar.

Se questa è davvero la prova di una delle prime stelle e dei resti di una supernova a instabilità di coppia, questa scoperta aiuterà a riempire il nostro quadro di come la materia nell’Universo è arrivata ad evolversi in quello che è oggi, compresi noi. Per testare questa interpretazione in modo più approfondito, sono necessarie molte più osservazioni per vedere se altri oggetti hanno caratteristiche simili.

Ma potremmo anche essere in grado di trovare le firme chimiche più vicino a casa. Sebbene le stelle di popolazione III di grande massa si sono tutte estinte molto tempo fa, le impronte chimiche che lasciano nel loro materiale espulso possono durare molto più a lungo e possono ancora persistere oggi.

Ciò significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di trovare le firme delle esplosioni di supernova con instabilità di coppia di stelle scomparse da tempo ancora impresse su oggetti nel nostro Universo locale.

“Ora sappiamo cosa cercare; abbiamo un percorso”, ha detto il co-autore Timothy Beers, astronomo dell’Università di Notre Dame. “Se questo accadesse localmente nell’Universo primitivo, cosa che avrebbe dovuto fare, allora ci aspetteremmo di trovare prove per questo”.

Crediti: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine