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Una fine ‘insolita’ per le stelle più antiche

Alcune stelle primordiali, ossia quelle che hanno masse 55-56 mila volte superiori a quella del Sole, potrebbero aver terminato il loro ciclo vitale in modo ‘insolito’. In altre parole, assieme alle stelle di prima generazione, questi oggetti sarebbero esplosi formando delle supernovae ‘vuote’, cioè senza lasciare dietro un buco nero come residuo finale dell’evoluzione stellare. E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di astrofisici della University of California, Santa Cruz (UCSC) e della University of Minnesota dopo una serie di simulazioni numeriche realizzate mediante i supercomputer del Department of Energy’s (DOE’s) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e del Minnesota Supercomputing Institute dell’Università del Minnesota. I ricercatori hanno utilizzato un particolare codice astrofisico, denominato CASTRO e sviluppato dalla DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory’s (Berkeley Lab’s) Computational Research Division (CRD) e i risultati sono stati pubblicati su Astrophysical Journal (ApJ).
L’immagine raffigura la sezione della regione interna di una stella di 55.000 masse solari. Nel nucleo centrale, ricco di elio, le reazioni nucleari trasformano l’elio in ossigeno, causando tutta una serie di instabilità del fluido stellare. La foto si riferisce ad un particolare momento, il giorno successivo all’esplosione, cioè quando il raggio del cerchio più esterno ha raggiunto le dimensioni dell’orbita terrestre. Credit: Ken Chen, UCSC

Le stelle di prima generazione sono particolarmente interessanti poichè hanno prodotto gli elementi chimici iniziali più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Questi vennero spazzati successivamente nello spazio aprendo così la strada alla formazione delle stelle appartenenti alle generazioni successive. Dunque, comprendere le fasi finali delle prime stelle potrebbe fornirci preziosi indizi sull’Universo delle origini. Una delle scoperte più interessanti che derivano da questo studio è l’esistenza di un certo intervallo di valori della massa dove le stelle di grande massa esplodono completamente senza lasciarsi dietro un buco nero supermassiccio, un risultato che non è mai stato raggiunto da altri precedenti lavori. Le stelle primordiali che hanno masse comprese tra 55.000 e 56.000 masse solari vivono circa 1,69 milioni di anni prima di diventare instabili, a causa degli effetti relativistici, e poi iniziano a collassare sotto l’effetto della gravità. Durante la fase di collasso, la stella inizia a sintetizzare rapidamente gli elementi pesanti, come l’ossigeno, il neon, il magnesio e il silicio a partire dall’elio che è presente nel nucleo. Questo processo rilascia più energia rispetto a quella di legame, frena il collasso gravitazionale e causa l’esplosione della stella: si forma così una supernova. Le simulazioni suggeriscono che nel momento in cui si inverte il processo del collasso gravitazionale, le instabilità di Rayleigh-Taylor fanno sì che gli elementi pesanti prodotti durante gli stadi finali vengano diluiti all’interno della stella. Questo processo dovrebbe produrre, secondo gli scienziati, un segnale caratteristico che può essere rivelato con i nuovi osservatori nell’infrarosso, come ad esempio il satellite Euclid dell’ESA e il telescopio spaziale Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA. Inoltre, in linea di principio, alcune stelle supermassicce potrebbero arricchire di elementi a partire dal carbonio fino al silicio lo spazio non solo dell’intera galassia ospite ma addirittura quello di alcune galassie vicine, in funzione dell’intensità associata all’esplosione. Infine, in certi casi la supernova potrebbe risultare determinante per incrementare anche i processi di formazione stellare nella propria galassia, il che la renderebbe decisamente distinguibile dalle galassie più giovani.

Berkeley Lab: Simulations Reveal An Unusual Death for Ancient Stars
The Astrophysical Journal: THE GENERAL RELATIVISTIC INSTABILITY SUPERNOVA OF A SUPERMASSIVE POPULATION III STAR
arXiv: General Relativistic Instability Supernova of a Supermassive Population III Star

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