Webb scopre il talento inaspettato dell’universo primordiale nel produrre polvere

Utilizzando il James Webb Space Telescope della NASA, gli astronomi hanno individuato due tipi rari di polvere nella galassia nana Sextans A, una delle galassie più primitive dal punto di vista chimico vicino alla Via Lattea.

 

 

Utilizzando il James Webb Space Telescope della NASA, gli astronomi hanno individuato due tipi rari di polvere nella galassia nana Sextans A, una delle galassie più primitive dal punto di vista chimico vicino alla Via Lattea.

La scoperta di polvere metallica di ferro e carburo di silicio (SiC) prodotti da stelle invecchiate, insieme a piccoli gruppi di molecole a base di carbonio, mostra che anche quando l’universo aveva solo una frazione degli elementi pesanti odierni, le stelle e il mezzo interstellare potevano ancora forgiare granelli solidi di polvere.

Questa ricerca con Webb sta rimodellando le idee su come le prime galassie si siano evolute e sviluppate i mattoni fondamentali dei pianeti, mentre la NASA esplora i segreti dell’universo e il nostro posto in esso.

Sextans A si trova a circa 4 milioni di anni luce di distanza e contiene solo dal 3 al 7 percento del contenuto metallico del Sole, o metallicità, il termine astrofisico per elementi più pesanti di idrogeno ed elio.

Poiché la galassia è così piccola, a differenza di altre galassie vicine, la sua attrazione gravitazionale è troppo debole per trattenere gli elementi pesanti come ferro e ossigeno creati da supernove e stelle invecchiate.

Galassie simili a queste assomigliano a quelle che hanno riempito l’universo primordiale subito dopo il big bang, quando l’universo era composto principalmente da idrogeno ed elio, prima che le stelle avessero il tempo di arricchire lo spazio con ‘metalli’.

Poiché è relativamente vicino, Sextans A offre agli astronomi una rara opportunità di studiare singole stelle e nubi interstellari in condizioni simili a quelle subito dopo il Big Bang.

“Sextans A ci sta fornendo un progetto per le prime galassie polverose”, ha detto Elizabeth Tarantino, ricercatrice post-dottorato presso lo Space Telescope Science Institute e autrice principale dei risultati di uno dei due studi presentati in una conferenza stampa al 247° incontro dell’American Astronomical Society a Phoenix.

“Questi risultati ci aiutano a interpretare le galassie più lontane immaginate da Webb e a comprendere cosa l’universo stava costruendo con i suoi primi ingredienti.”

Forgiare polvere senza ingredienti abituali

Uno di questi studi, pubblicato sull’Astrophysical Journal, si è concentrato su una mezza dozzina di stelle con lo spettrometro a bassa risoluzione a bordo del MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb.

I dati raccolti mostrano le impronte chimiche delle stelle gonfie molto tardi nella loro evoluzione, chiamate stelle asintotiche a ramo gigante (AGB). Le stelle con masse comprese tra una e otto volte quella del Sole attraversano questa fase.

“Una di queste stelle si trova all’estremità ad alta massa dell’intervallo AGB, e stelle come questa di solito producono polvere di silicato. Tuttavia, a così bassa metallicità, ci aspettiamo che queste stelle siano quasi prive di polvere,” ha detto Martha Boyer, astronoma associata presso lo Space Telescope Science Institute e autrice principale di quel secondo studio complementare.

“Invece, Webb ha rivelato una stella che forgia granelli di polvere quasi interamente di ferro. Questo è qualcosa che non abbiamo mai visto in stelle analoghe di stelle nell’universo primordiale.”

I silicati, la polvere usuale formata da stelle ricche di ossigeno, richiedono elementi come silicio e magnesio quasi inesistenti in Sextans A. Sarebbe come cercare di cuocere biscotti in cucina senza farina, zucchero e burro.

Una cucina cosmica normale, come la Via Lattea, contiene quegli ingredienti cruciali sotto forma di silicio, carbonio e ferro. In una cucina primitiva, come Sextans A, dove quasi tutti quegli ingredienti mancano, hai a malapena farina o zucchero.

Pertanto, gli astronomi si aspettavano che senza quegli ingredienti chiave, le stelle di Sextans A non potessero “cuocere” quasi nulla di polvere.

Tuttavia, non solo hanno trovato polvere, ma Webb ha dimostrato che una di queste stelle ha usato una ricetta completamente diversa dal solito per produrre quella polvere.

La polvere composta solo dal ferro, così come il carburo di silicio prodotto dalle meno massicce stelle AGB nonostante la bassa abbondanza di silicio della galassia, dimostrano che le stelle evolute possono ancora costruire materiale solido anche quando mancano gli ingredienti tipici.

“La polvere nell’universo primordiale poteva apparire molto diversa dai grani di silicato che vediamo oggi,” disse Boyer. “Questi grani di ferro assorbono la luce in modo efficiente ma non lasciano impronte spettrali nette e possono contribuire ai grandi serbatoi di polvere osservati nelle galassie lontane rilevate da Webb.”

Piccoli ammassamenti di molecole organiche

Nello studio parallelo, attualmente in fase di revisione paritaria, Webb ha fotografato il mezzo interstellare di Sextans A e ha scoperto idrocarburi aromatici policiclici (PAH), che sono molecole complesse a base di carbonio e i più piccoli granelli di polvere che brillano nella luce infrarossa. La scoperta significa che Sextans A è ora la galassia con la più bassa metallicità mai trovata a contenere PAH.

Ma, a differenza dell’ampia e ampia emissione di PAH osservata nelle galassie ricche di metalli, Webb ha rivelato i PAH in piccole e dense sacche larghe solo pochi anni luce.

“Webb dimostra che i HAP possono formarsi e sopravvivere anche nelle galassie più carenti di metallo, ma solo in piccole isole protette di gas denso”, ha detto Tarantino.

Gli ammassamenti probabilmente rappresentano regioni dove la protezione della polvere e la densità dei gas raggiungono appena abbastanza da permettere la formazione e la crescita dei HAP, risolvendo un mistero decennale sul perché i AH sembrino scomparire nelle galassie povere di metalli.

Il team ha un programma Webb Cycle 4 approvato per utilizzare spettroscopia ad alta risoluzione e studiare ulteriormente la chimica dettagliata dei gruppi PAH di Sextans A.

Collegare due scoperte

Insieme, i risultati mostrano che l’universo primordiale aveva percorsi di produzione di polvere più diversificati rispetto ai metodi più consolidati e comprovati, come le esplosioni di supernova.

Inoltre, i ricercatori ora sanno che c’è più polvere di quanto previsto a metallicità estremamente basse.

“Ogni scoperta in Sextan La ci ricorda che l’universo primordiale era più inventivo di quanto immaginassimo,” ha detto Boyer.

“Chiaramente le stelle hanno trovato un modo per creare i mattoni di base dei pianeti molto prima che esistessero galassie come la nostra.”