Gli astronomi potrebbero aver scoperto gli antichi resti chimici delle prime stelle che hanno illuminato l’universo. Utilizzando un’analisi innovativa di un quasar distante osservato dal telescopio Gemini North alle Hawaii, gli scienziati hanno scoperto un insolito rapporto tra gli elementi che, secondo loro, potrebbero provenire solo dai detriti prodotti da un’esplosione che ha divorato una stella di prima generazione di 300 masse solari.
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 quando hanno concluso la loro vita come supernove si sono fatte a pezzi, seminando lo spazio interstellare con una peculiare miscela di elementi pesanti. Nonostante decenni di ricerche da parte degli astronomi, tuttavia, non ci sono state prove dirette di queste stelle primordiali. Fino ad ora.
Analizzando uno dei quasar più distanti conosciuti, utilizzando il telescopio Gemini North, uno dei due telescopi identici che compongono l’Osservatorio Internazionale Gemini, gestito dal NOIRLab di NSF, gli astronomi ora pensano di aver identificato il materiale residuo dell’esplosione di una stella di prima generazione. Utilizzando un metodo innovativo per dedurre 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 di 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 teorizza che rappresentino la fine della vita per 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 al centro di una stella si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni, la corrispettiva antiparticella dell’elettrone. Questa conversione riduce la pressione di radiazione all’interno della stella, consentendo alla gravità di superarla e portando al collasso e alla successiva esplosione.
A differenza di altre supernove, questi eventi non lasciano resti stellari, come una stella di neutroni o un buco nero, e invece espellono tutto il loro materiale nell’ambiente circostante. Ci sono solo due modi per trovarne le prove. Il primo è catturare una supernova a instabilità di coppia mentre accade, il che è un caso altamente improbabile. L’altro modo è identificare la loro firma chimica dal materiale che espellono nello spazio interstellare.
Per la loro ricerca, gli astronomi hanno studiato i risultati di una precedente osservazione effettuata dal telescopio Gemini North da 8,1 metri utilizzando lo spettrografo Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Uno spettrografo divide la luce emessa dagli oggetti celesti nelle sue lunghezze d’onda costituenti, che trasportano informazioni su quali elementi contengono gli oggetti. Gemini è uno dei pochi telescopi delle sue dimensioni con un’attrezzatura adeguata per eseguire tali osservazioni. Dedurre le quantità di ciascun elemento presente, tuttavia, è un’impresa complicata 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 per utilizzare l’intensità delle lunghezze d’onda in uno spettro di quasar per stimare l’abbondanza degli elementi presenti. È stato utilizzando questo metodo per analizzare lo spettro del quasar che è stato scoperto il rapporto magnesio-ferro notevolmente basso.
“Era ovvio per me che la supernova candidata per questo sarebbe stata una supernova a instabilità di coppia di una stella di Popolazione III, in cui l’intera stella esplode senza lasciare alcun residuo“, ha detto 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“.
Ricerche di prove chimiche per una precedente generazione di stelle di Popolazione III di massa elevata sono state effettuate in precedenza tra le stelle nell’alone della Via Lattea e almeno un’identificazione provvisoria è stata presentata nel 2014. Yoshii e colleghi, tuttavia, pensano che il nuovo risultato fornisca la firma più chiara di una supernova a instabilità di coppia basata sul rapporto di abbondanza magnesio-ferro estremamente basso presentato 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 la comprensione di come la materia nell’universo sia arrivata ad evolversi in ciò che è oggi, noi compresi. Per testare questa interpretazione in modo più approfondito, sono necessarie molte più osservazioni per vedere se altri oggetti hanno caratteristiche simili.
Ma potremmo anche essere in grado di trovare le firme chimiche più vicino a casa. Anche se le stelle di Popolazione III di massa elevata si sarebbero estinte tutte molto tempo fa, le impronte chimiche che lasciano nel materiale espulso possono durare molto più a lungo e possono persistere ancora oggi. Ciò significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di trovare le firme delle esplosioni di supernovae a instabilità di coppia di stelle scomparse ancora impresse su oggetti nel nostro universo locale.
