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SDSS J0018, una stella che esplose all’alba dei tempi

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il telescopio Subaru, un gruppo internazionale di astronomi hanno identificato una stella di piccola massa che esibisce rapporti di abbondanza chimica peculiari tipici del processo di nucleosintesi che ha caratterizzato la formazione di una stella molto massiccia di prima generazione. Finora, nessuna evidenza osservativa ha supportato le simulazioni numeriche che hanno lo scopo di dimostrare l’esistenza di stelle massicce primordiali che avrebbero composto la prima generazione di stelle formatesi subito dopo il Big Bang.

Illustrazione artistica di una stella di nuova generazione. Il materiale che comprese gli elementi pesanti della prima generazione di stelle, molto massicce, si mescolò con l’idrogeno attorno alla stella. Stelle di nuova generazione si formarono dalle nubi di gas che comprendevano quantità minime di elementi pesanti. SDSS J0018-0939, una stella di piccola massa con un tempo di vita media lungo, si originò come una di queste stelle di seconda generazione, mantenendo i prodotti di una stella molto massiccia di prima generazione. Credit: NAOJ

Le stelle di prima generazione si sono formate alcune centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang dal collasso gravitazionale di nubi di gas contenenti tipicamente idrogeno ed elio. Si ritiene che esse abbiano costituito il materiale primordiale che ha arricchito il mezzo interstellare, mentre i sistemi stellari più grandi, come le galassie, si sono formati più tardi. Le simulazioni numeriche hanno permesso di ottenere progressi significativi allo scopo di comprendere la nascita delle prime stelle. Modelli più recenti suggeriscono, però, che una piccola frazione di stelle molto massicce, le cui masse superano centinaia di volte quelle del Sole, si sarebbero formate durante le fasi primordiali della storia cosmica anche se la maggior parte di esse avrebbero posseduto una massa compresa tra dieci e centinaia di volte la massa solare. È probabile che l’intensa emissione di radiazione ultravioletta e le esplosioni stellari abbiano avuto un ruolo importante per l’evoluzione dei sistemi stellari. Le esplosioni stellari hanno spazzato nel mezzo interstellare gli elementi formati dalle prime stelle massicce che poi si sono dispersi nel gas da cui si sono originate le stelle di seconda generazione. Le stelle con masse leggermente inferiori a quella del Sole hanno vite medie molto lunghe, lunghe abbastanza che ancora brillano. La Via Lattea contiene questo tipo di stelle di piccola massa con un tasso globale di metallicità basso, inclusi gli elementi prodotti dalle prime stelle massicce. Le tracce distintive delle abbondanze chimiche di queste stelle possono essere utilizzate per stimare la massa delle prime stelle. Ora, nel corso degli ultimi trent’anni, gli astronomi hanno realizzato tutta una serie di osservazioni del cielo per cercare di identificare stelle di piccola massa, povere di metalli, formatesi nelle epoche primordiali. Campagne di osservazioni spettroscopiche, che avevano lo scopo di misurare le abbondanze chimiche, hanno permesso di identificare alcune stelle che possiedono quelle tracce chimiche associate con le prime stelle, caratterizzate da decine di volte la massa solare, che hanno prodotto grandi quantità di carbonio e altri elementi leggeri. Ad ogni modo, studi precedenti sulle stelle di piccola massa, povere di metalli, presenti nella nostra galassia non hanno fornito evidenze di esplosioni stellari correlate ad oggetti con masse superiori a 100 volte la massa solare, che sintetizzano invece enormi quantità di ferro e molto poco carbonio.

I ricercatori hanno utilizzato l’High Dispersion Spectrograph del telescopio Subaru per ottenere spettri ad alta risoluzione di un insieme molto numeroso di stelle di piccola massa, povere di metalli. In un caso, gli scienziati hanno identificato un oggetto, denominato con la sigla SDSS J0018-0939 che mostra rapporti di abbondanza chimica molto particolari. Nonostante la stella contenga una quantità di ferro molto bassa, essa mostra una significativa mancanza di elementi leggeri, come il carbonio ed il magnesio. Questa quantità estremamente bassa di elementi leggeri rispetto al ferro suggerisce che la stella si sia formata direttamente da una nube di gas idrogeno che già conteneva gli elementi dispersi dalla prima generazione di stelle massicce. I modelli che descrivono la nucleosintesi nel caso delle esplosioni di supernovae di stelle massicce, che permettono di riprodurre in maniera dettagliata i rapporti di abbondanze chimiche che si trovano nella maggior parte delle stelle di prima generazione note, non spiegano facilmente i valori osservati nella stella in questione. In realtà, i modelli spiegano sia i rapporti relativamente elevati della quantità di ferro ma anche quelli più bassi degli elementi più leggeri. Ciò vuol dire che la stella contiene quegli elementi chimici che sono stati prodotti da una stella molto massiccia di prima generazione. Questa scoperta fornisce preziosi indizi sugli studi relativi alla composizione chimica delle stelle super massicce di prima generazione, sulla loro formazione e sull’origine degli elementi. Inoltre, la forte radiazione UV, le esplosioni stellari e la produzione di elementi pesanti delle prime stelle massicce hanno influenzato le stelle successive e analogamente la formazione galattica. Se davvero sono esistite stelle fino a 1000 volte la massa solare, i loro prodotti finali sono molto probabilmente buchi neri di diverse centinaia di volte la massa solare, che avrebbero successivamente formato quei “siti cosmici” dove hanno origine quei buchi neri supermassicci che risiedono nei nuclei delle galassie. Il passo successivo sarà ora quello di identificare stelle di piccola massa, povere di metalli, appartenenti alla prima generazione in modo da stimare il loro numero rispetto a quello delle stelle più massicce. Se sarà trovato che queste ultime sono relativamente comuni, i futuri telescopi, come il Thirty Meter Telescope (TMT) e il James Webb Space Telescope (JWST) saranno in grado di rivelarle una volta che saranno osservate le galassie più distanti.

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Science Magazine: The star that exploded at the dawn of time

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