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Possibili prime tracce delle prime stelle dell’universo – HeritageDaily

Gli astronomi potrebbero aver scoperto gli antichi resti chimici delle prime stelle che illuminarono l’universo.

Utilizzando un’analisi innovativa di un quasar distante osservato dal Gemini North Telescope da 8,1 metri alle Hawaii, gestito dal NOIRLab della NSF, gli scienziati hanno scoperto un rapporto insolito di elementi che ritengono sia unico per i detriti prodotti dall’esplosione divorante di un 300 stella di prima generazione a massa solare.

Le primissime stelle probabilmente si sono formate quando l’universo aveva solo 100 milioni di anni, meno dell’1% della sua età attuale. Queste prime stelle – conosciute come Popolazione III – erano così massicce che si sono distrutte quando hanno concluso la loro vita come supernove, seminando lo spazio interstellare con un mix distintivo di elementi pesanti. Tuttavia, nonostante decenni di ricerche diligenti da parte degli astronomi, fino ad ora non ci sono state prove dirette di queste stelle primordiali.

Analizzando uno dei quasar più lontani conosciuti con il Gemini North Telescope, uno dei due telescopi identici che compongono l’Osservatorio Internazionale Gemini gestito dal NOIRLab della NSF, gli astronomi ora credono che possa essere il residuo dell’esplosione di una stella di prima generazione. Utilizzando un metodo innovativo per ricavare gli elementi chimici contenuti nelle nuvole che circondano il quasar, hanno notato una composizione molto insolita: il materiale conteneva oltre 10 volte più ferro del magnesio rispetto al rapporto di questi elementi nel nostro Sole.

Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile per questa caratteristica sorprendente sia che il materiale sia stato lasciato da una stella di prima generazione che è esplosa come una supernova a instabilità di coppia. Queste versioni straordinariamente potenti delle esplosioni di supernova non sono mai state osservate, ma si ritiene che segneranno la fine della vita di stelle gigantesche con masse comprese tra 150 e 250 volte quella del Sole.

Le esplosioni di supernova a instabilità di coppia si verificano quando i fotoni si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni, la controparte di antimateria caricata positivamente dell’elettrone, al centro di una stella. Questa conversione riduce la pressione di radiazione all’interno della stella, consentendo alla gravità di superarla e portando al suo collasso e alla successiva esplosione.

A differenza di altre supernove, questi eventi drammatici non lasciano residui stellari come stelle di neutroni o buchi neri, ma scagliano invece tutta la loro materia nell’ambiente circostante. Ci sono solo due modi per trovare prove di questo. Il primo è catturare una supernova di instabilità di coppia mentre accade, il che è una coincidenza altamente improbabile. L’altra possibilità è identificare la loro firma chimica dal materiale che espellono nello spazio interstellare.

Per la loro ricerca, gli astronomi hanno esaminato i risultati di una precedente osservazione effettuata con il telescopio Gemini North da 8,1 metri utilizzando lo spettrografo Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Uno spettrografo scompone la luce emessa dagli oggetti nel cielo nelle sue lunghezze d’onda, che contengono informazioni su quali elementi contengono gli oggetti. Gemini è uno dei pochi telescopi delle sue dimensioni con l’attrezzatura adeguata per effettuare tali osservazioni.

Derivare le quantità di ciascun elemento presente è complicato, tuttavia, perché la luminosità di una linea in uno spettro dipende da molti altri fattori oltre all’abbondanza dell’elemento.

Due coautori dell’analisi, Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima dell’Università di Tokyo, hanno affrontato questo problema sviluppando un metodo che utilizza l’intensità delle lunghezze d’onda in uno spettro di quasar per stimare l’abbondanza degli elementi ivi presenti. Usando questo metodo per analizzare lo spettro del quasar, lei ei suoi colleghi hanno scoperto il rapporto sorprendentemente basso tra magnesio e ferro.

“Mi era chiaro che la supernova candidata per questo sarebbe stata una supernova a instabilità di coppia di stelle di popolazione III, in cui l’intera stella esplode senza lasciare residui”, ha detto Yoshii. “Sono stato contento e in qualche modo sorpreso di scoprire che una supernova a instabilità di coppia di una stella circa 300 volte la massa del nostro Sole produce un rapporto magnesio-ferro coerente con il basso valore che abbiamo derivato per il quasar”.

Le prove chimiche di una precedente generazione di stelle di Popolazione III di massa elevata sono già state ricercate tra le stelle nell’alone della Via Lattea e almeno un’identificazione provvisoria è stata presentata nel 2014. Tuttavia, Yoshii e i suoi colleghi ritengono che il nuovo risultato fornisca la firma più chiara di una supernova a instabilità di coppia, basata sul rapporto magnesio/ferro estremamente basso presente in questo quasar.

Se questa è davvero la prova di una delle prime stelle e dei resti di una supernova a instabilità di coppia, questa scoperta aiuterà a completare il nostro quadro di come la materia nell’Universo si sia evoluta in quello che è oggi, noi compresi. Per testare questa interpretazione in modo più approfondito, sono necessarie molte più osservazioni per vedere se altri oggetti hanno proprietà simili.

Ma forse possiamo trovare le firme chimiche più vicino a casa. Sebbene le stelle massicce di Popolazione III si sarebbero estinte tutte molto tempo fa, le impronte chimiche che lasciano nel materiale espulso possono durare molto più a lungo e persistere ancora oggi. Ciò significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di trovare le firme delle esplosioni di supernovae di instabilità di coppia da stelle di molto tempo fa che sono ancora impresse su oggetti nel nostro Universo locale.

“Ora sappiamo cosa cercare; Abbiamo un modo”, ha affermato il coautore Timothy Beers, astronomo dell’Università di Notre Dame. “Se questo è accaduto localmente nell’Universo primordiale, cosa che sarebbe dovuta accadere, allora ci aspetteremmo di trovarne la prova”.


Associazione delle Università per la Ricerca in Astronomia (AURA)

https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.11909

Credito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva / macchina spaziale

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