La prova delle prime stelle dell’Universo

Una ricerca internazionale, porta alla luce le prove delle stelle di Popolazione III, le prime a popolare l'Universo dopo il Big Bang
Un campo di stelle di Popolazione III come sarebbero apparse 100 milioni di anni dopo il Big Bang. Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J.

Le primissime stelle potrebbero essere apparse quando l’Universo aveva solo 100 milioni di anni, o meno dell’1% della sua età attuale. Da allora, la rapida espansione dello spazio ha portato la loro luce nell’oblio, lasciandoci a cercare indizi sulla loro esistenza in fonti cosmiche più vicine a casa nostra. Analizzando la luce che emerge dalle nuvole attorno a un quasar, ricercatori provenienti da Giappone, Australia e Stati Uniti hanno scoperto che una “miscela distintiva di elementi pesanti” avrebbero trovato la prova definitive delle prime stelle dell’Universo.

La popolazione stellare

Tutte le stelle che possiamo osservare sono classificate come Popolazione I o Popolazione II, a seconda della loro età. Le stelle di Popolazione I sono più giovani e contengono elementi più pesanti. Le stelle di Popolazione II sono più vecchie con meno elementi pesanti. Le primissime stelle, invece descritte come Popolazione III, sono ancora più antiche, la loro esistenza coincide con distanze cosmiche ben al di là della della nostra portata tecnologica. Per il momento, possiamo solo supporre le loro caratteristiche. Gli scienziati pensano, che le prime stelle fossero super calde, luminose e massicce, forse centinaia di volte la massa del nostro Sole.

Senza potenti eventi cosmici, per generare elementi più pesanti del Litio, le stelle di Popolazione III sarebbero state composte interamente da gas semplici. Allora, gli unici materiali disponibili nell’Universo erano Idrogeno, Elio e un po’ di Litio, trovati nel gas primordiale residuo dal Big Bang. Solo dopo la morte violenta delle prime stelle stesse, sarebbero emersi i primi elementi più pesanti. Queste stelle probabilmente hanno concluso la loro vita con supernove a instabilità di coppia, un tipo teorico di supernova possibile solo in stelle così massicce. A differenza di altre supernove, questo non lascerebbe resti stellari come una stella di neutroni o un buco nero, ma farebbe esplodere tutto verso l’esterno in una nuvola in continua espansione.

Ed è proprio grazie a queste prime esplosioni che l’Universo sarebbe stato seminato con gli elementi pesanti necessari per la formazione di mondi rocciosi come il nostro, consentendo così la vita come la conosciamo. Per gli astronomi sulla Terra che ora sperano di saperne di più sulle stelle di Popolazione III, tuttavia, la luce di quelle antiche mega-esplosioni è svanita in lontananza, lasciando poco più di una nuvola diffusa contenente un complesso mix di elementi.

La luce che arriva da lontano

Per scovare segni di una tale concentrazione di polvere stellare, gli autori dello studio, pubblicato su The Astrophisical Journal (rif.), hanno utilizzato i dati dello spettrografo nel vicino infrarosso di uno dei quasar più conosciuti. La luce di questo quasar ha viaggiato nello spazio per 13,1 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra. Questo che significa che stiamo vedendo il quasar come appariva quando l’Universo aveva solo 700 milioni di anni.

Lo spettrografo è uno strumento che cattura e divide la luce in entrata, nelle sue lunghezze d’onda componenti. L’analisi della luce scomposta può rivelare quali elementi sono presenti in un oggetto lontano. La luminosità delle righe negli spettri astronomici può dipendere da fattori diversi dall’abbondanza di un elemento, il che può complicare gli sforzi per identificare elementi specifici.

Eppure due degli autori dello studio, gli astronomi Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima, entrambi dell’Università di Tokyo, avevano messo appunto un trucco per aggirare il problema. Il loro metodo, prevede l’utilizzo dell’intensità della lunghezza d’onda per stimare la prevalenza degli elementi, consentendo l’analisi della composizione delle nuvole attorno a questo quasar.

Le prova delle prime stelle

L’analisi ha rivelato un rapporto strano tra Magnesio e Ferro nelle nuvole, che avevano 10 volte più Ferro del Magnesio rispetto al nostro Sole. Questo indizio, affermano i ricercatori, suggerisce che si trattava di materiale proveniente dalla catastrofica esplosione di una stella di prima generazione. “Era ovvio per me che la supernova candidata per questo sarebbe stata una supernova a instabilità di coppia di una stella di Popolazione III, la prova delle prime stelle dell’Universo esplose senza lasciare alcun residuo”, afferma il coautore Yuzuru 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”. Almeno un’altra potenziale traccia di una stella di Popolazione III è stata segnalata nel 2014, notano Yoshi e i suoi colleghi, ma sostengono che questa nuova scoperta sia la prima a fornire una prova così forte. Se hanno ragione, questa ricerca potrebbe rivelare come la materia si sia evoluta durante la storia dell’Universo. Ma per essere certi, saranno necessarie più osservazioni per verificare la presenza di tratti simili in altri oggetti celesti.

Queste osservazioni potrebbero non provenire tutte da quasar così lontani. Anche se non ci sono più stelle di Popolazione III rimaste nell’Universo, un ulteriore prova potrebbe nascondersi quasi ovunque, incluso l’Universo locale che ci circonda. “Ora sappiamo cosa cercare; abbiamo un percorso” afferma il coautore Timothy Beers, astronomo dell’Università di Notre Dame. “Se questo è accaduto localmente nell’Universo primordiale, cosa che avrebbe dovuto fare, allora ci aspetteremmo di trovarne le prove”.

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