Universe

Le stelle di popolazione 3

Che meraviglia l’Universo, con la sua straordinaria varietà di elementi di ogni genere. Ma se il Big Bang produsse solo idrogeno e elio, come si è arrivati a un cosmo così variegato?

Ci vollero solo tre minuti perché il Big Bang producesse gli elementi fondamentali del cosmo: idrogeno, elio, qualche traccia di litio e berillio. Eppure l’Universo attuale è ricco di elementi pesanti, dal carbonio, all’ossigeno, fino al ferro e oltre. Secondo il Modello Standard, questi elementi pesanti non possono che essere stati cucinati nelle fornaci nucleari delle stelle.

Le stelle che possiamo osservare oggi rivelano tutte, nelle loro righe spettrali, la presenza di metalli (in astronomia, il termine metallo è usato per indicare qualsiasi elemento con peso atomico maggiore dell’elio, ad esempio, anche l’ossigeno è considerato un metallo anche se per i chimici non lo è).

Le stelle più recenti, come il nostro sole, dette di popolazione I perché le prime ad essere osservate, sono particolarmente ricche in metallo. Questo perché le grandi stelle più antiche che le hanno precedute, dopo aver forgiato gli elementi più pesanti li scagliarono nello spazio, esplodendo come supernove, contaminando con metalli da loro prodotti il materiale da cui si formarono giovani stelle.

Questi astri antenati si definiscono stelle di popolazione II, e le loro immagini che ci giungono dal passato – quando cioè brillavano nel cielo e la loro luce ha iniziato il lungo viaggio per arrivare fino a noi – rivelano quantità di metalli molto ridotte, ma comunque presenti nelle righe spettrali.

Le stelle di popolazione III

Dov’è l’anello mancante? Come si è passati da un Universo di soli idrogeno ed elio agli elementi pesanti delle stelle di popolazione II? La teoria del Big Bang richiede necessariamente l’esistenza di stelle ancora più antiche, astri primordiali composti esclusivamente di idrogeno ed elio.

Sarebbero loro ad aver dato il via alla produzione di qualsiasi altro elemento esistente, fabbricando via via carbonio, azoto, ossigeno, neon, e oltre, fino al ferro. La teoria è generalmente accettata, tuttavia finora nessuno è riuscito a vedere una stella composta da soli idrogeno ed elio!

Secondo i cosmologi, queste stelle di primissima generazione erano per lo più oggetti estremamente massicci – molto più delle attuali ipergiganti blu composte da oltre 200 masse solari. Stelle così grandi bruciano molto rapidamente, poiché l’enorme massa rende molto più intensa la forza gravitazionale, che accelera i processi di fusione nucleare.

Pertanto la loro vita sarebbe stata brevissima, meno di 20 milioni di anni. Ciò spiegherebbe la difficoltà di rilevarle, oltre al fatto che essendo corpi celesti così antichi,per scovarle occorre guardare molto lontano, nello spazio e quindi nel tempo.

La ricerca di stelle di popolazione III è una delle imprese più importanti della cosmologia moderna, poiché potrebbe confermare il Modello Standard, o dimostrarne la invalidità nel caso si provasse la loro inesistenza. A tale scopo, nel 2006 la NASAha lanciato ARCADE (Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission).

Questo strumento sofisticato, capace di captare segnali dai confini dell’Universo emessi da corpi celesti molto distanti da noi, è stato agganciato a un pallone aerostatico e posto a 36 km di altezza, dove l’atmosfera si assottiglia e inizia il vuoto, posizione privilegiata per studiare il lontano Universo. Per ora, nessun segnale da stelle primordiali neppure da ARCADE, che lungi da semplificare le cose per i cosmologi, le ha invece complicate ancora di più.

Al posto dei deboli segnali che ci si aspettava da stelle di popolazione III, infatti, lo strumento ha invece captato un rumore assordante di cui non si è ancora riusciti a stabilire la provenienza, in quanto non si conoscono fonti di onde radio sufficienti per spiegarne l’intensità. Questa scoperta potrebbe riservare grandi sorprese ai cosmologi.

Stelle di Popolazione III 

Possibile bagliore della Popolazione III stelle La immaginata dal NASA 's telescopio spaziale Spitzer
Possibile bagliore della Popolazione III stelle La immaginata dal NASA ‘s telescopio spaziale Spitzer

Le stelle di Popolazione III sono una popolazione ipotetica di stelle estremamente massicce, luminose e calde virtualmente prive di metalli , eccetto forse per i residui misti da altre supernove di Popolazione III vicine.

È probabile che tali stelle siano esistite nell’universo primordiale (cioè con un elevato spostamento verso il rosso) e potrebbero aver avviato la produzione di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno necessari per la successiva formazione dei pianeti e della vita come la conosciamo.

L’esistenza delle stelle di Popolazione III è dedotta dalla cosmologia fisica , ma non sono state ancora osservate direttamente. Prove indirette della loro esistenza sono state trovate in una galassia con lente gravitazionale in una parte molto distante dell’universo. La loro esistenza può spiegare il fatto che elementi pesanti – che non avrebbero potuto essere creati nel Big Bang – sono osservati negli spettri di emissione dei quasar.

Si pensa anche che siano componenti di deboli galassie blu . Queste stelle probabilmente hanno innescato il periodo di reionizzazione dell’universo , un’importante transizione di fasedi gas che porta alla mancanza di opacità osservata oggi. Le osservazioni della galassia UDFy-38135539 suggeriscono che potrebbe aver giocato un ruolo in questo processo di reionizzazione.

L’ European Southern Observatory ha scoperto una sacca luminosa di stelle della prima popolazione nella galassia molto luminosa Cosmos Redshift 7 dal periodo di reionizzazione circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Il resto della galassia ha alcune stelle successive della Popolazione II più rosse. Alcune teorie sostengono che c’erano due generazioni di stelle di Popolazione III.

Impressione artistica delle prime stelle, 400 milioni di anni dopo il Big Bang
Impressione artistica delle prime stelle, 400 milioni di anni dopo il Big Bang

La teoria attuale è divisa sul fatto che le prime stelle fossero molto massicce o meno; Le teorie proposte nel 2009 e nel 2011 suggeriscono che i primi gruppi stellari potrebbero essere stati costituiti da una stella massiccia circondata da diverse stelle più piccole.

Le stelle più piccole, se rimanessero nell’ammasso di nascita, accumulerebbero più gas e non potrebbero sopravvivere fino ai giorni nostri, ma uno studio del 2017 ha concluso che se una stella di 0,8 masse solari o meno fosse espulso dal suo ammasso di nascita prima di accumulare più massa, potrebbe sopravvivere fino ai giorni nostri, forse anche nella nostra galassia, la Via Lattea.

Una proposta, sviluppata da modelli computerizzati di formazione stellare , è che senza elementi pesanti e un mezzo interstellare molto più caldo del Big Bang, era facile formare stelle con una massa totale molto maggiore rispetto alle stelle comunemente visibili oggi.

Le masse tipiche per le stelle di Popolazione III dovrebbero essere circa diverse centinaia di masse solari , che è molto più grande di quella delle stelle attuali. I modelli posizionano la massa massima di una stella di Popolazione III a ~ 1000 masse solari. Analisi dei dati di stelle di Popolazione II a bassissima metallicità come HE0107-5240, che si pensa contengano i metalli prodotti dalle stelle di Popolazione III, suggeriscono che queste stelle prive di metalli avevano masse da 20 a 130 masse solari.

D’altra parte, l’analisi degli ammassi globulari associati alle galassie ellittiche suggerisce che le supernove a instabilità di coppia , che sono tipicamente associate a stelle molto massicce, erano responsabili della loro composizione metallica.

Questo spiega anche perché non sono state osservate stelle di piccola massa con metallicità zero , sebbene siano stati costruiti modelli per stelle di Popolazione III più piccole.  Cluster contenenti nane rosse a metallicità zero ole nane brune (forse create da supernove di instabilità di coppia) sono state proposte come candidate della materia oscura,  ma le ricerche di questi tipi di MACHO attraverso il microlensing gravitazionale hanno prodotto risultati negativi.

Il rilevamento delle stelle di Popolazione III è un obiettivo del James Webb Space Telescope della NASA . Anche nuove indagini spettroscopiche , come SEGUE o SDSS-II , possono individuare stelle di Popolazione III. Le stelle osservate nella galassia Cosmos Redshift 7 a z = 6.60 possono essere stelle di Popolazione III.

Trovata polvere di stelle là dove (e quando) non dovrebbe esistere

Elementi nati dall’esplosione di stelle sono stati trovati in una nube cosmica di 13 miliardi di anni fa: un’epoca in cui, secondo le nostre teorie, le stelle cominciavano a nascere, non a morire.

Un thriller astronomico si è presentato agli occhi dei ricercatori del Max Planck Institute. Analizzando la lontana luce che arriva da una nube cosmica vecchia 13 miliardi di anni, hanno trovato tracce di atomi liberati nello Spazio da una supernova di tipo Ia, cioè dall’esplosione di una stella nana bianca. Una scoperta impossibile: a quell’epoca l’Universo aveva solo 850 milioni di anni, e la vita media di queste stelle è di un miliardo di anni.

Il delitto celeste è stato osservato grazie alla luce di un quasar (galassie con nuclei attivi estremamente luminosi, giganteschi corpi celesti dell’Universo primordiale) che ha illuminato la nube cosmica. Questo oggetto ha permesso ai ricercatori di individuare la firma luminosa di carbonio, ossigeno, ferro e altri elementi che provengono dall’esplosione di supernove di tipo Ia.

Da quel che si legge nello studio pubblicato dai ricercatori, il mistero è ancora più intricato. Gli elementi di origine stellare all’interno di questa nube somigliano chimicamente a quelli delle nubi interstellari odierne. Non sono abbastanza primitivi per essere il frutto dell’esplosione di una stella appartenente alla prima generazione apparsa nel cosmo, la cosiddetta popolazione III.

Nube cosmica, quasar.
Ricostruzione grafica di ciò che è stato visto dai ricercatori: la nube cosmica illuminata dal quasar, per com’era a soli 850 milioni di anni dopo il big bang. © Max Planck Institute for Astronomy / Graphics department

Ciò significherebbe che, nei primi 850 milioni di anni dell’Universo, stelle di popolazione III si sono formate, sono esplose, e dai loro resti sono nate stelle nane bianche che sono infine esplose in supernove Ia. Le prime stelle devono essersi quindi formate e poi evolute molto rapidamente.

Questa scoperta mette in dubbio (se non in crisi) le moderne teorie di evoluzione stellare, o di evoluzione dell’Universo. Nel puzzle di idee che formano la nostra comprensione del cosmo è entrato un pezzo che non combacia con gli altri. Le prossime ricerche ci diranno cosa dovrà essere cancellato, inserito o riadattato per mantenere solida la nostra concezione del tutto.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “Candidate Population III stellar complex at z=6.629 in the MUSE Deep Lensed Field”, di E. Vanzella, M. Meneghetti, G. B. Caminha, M. Castellano, F. Calura, P. Rosati, C. Grillo, M. Dijkstra, M. Gronke, E. Sani, A. Mercurio, P. Tozzi, M. Nonino, S. Cristiani, M. Mignoli, L. Pentericci, R. Gilli, T. Treu, K. Caputi, G. Cupani, A. Fontana, A. Grazian e I. Balestra
  2.  First Stars (and other beginnings), su SolStation, Sol Company. URL consultato l’11 maggio 2014.
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  11. R. Salvaterra, A. Ferrara, R. Schneider, Induced formation of primordial low-mass stars, in New Astronomy, vol. 10, n. 2, 2004, pp. 113-120, 
  12. Universe
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