Il James Webb Space Telescope ha permesso di osservare con un dettaglio senza precedenti il modo in cui alcune stelle giunte nelle ultime fasi della loro evoluzione riescono a produrre polvere cosmica anche in ambienti estremamente poveri di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Una condizione che rende questi sistemi paragonabili, dal punto di vista della composizione chimica, a quelli presenti nell’Universo primordiale. La scoperta è il risultato di uno studio condotto da un team internazionale di scienziati guidato da Claudio Gavetti, dottorando presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica, INAF, e l’Università degli Studi Roma Tre. Il lavoro, pubblicato oggi sulla rivista The Astrophysical Journal, introduce nuovi vincoli osservativi utili a comprendere come le stelle evolute possano formare polvere in condizioni caratterizzate da una quantità molto limitata di materie prime. L’elemento più significativo emerso dall’indagine riguarda l’identificazione di un ristretto gruppo di venti stelle circondate da spessi gusci di polvere all’interno della galassia nana Sextans A. La presenza di queste autentiche fabbriche di materiale cosmico appare particolarmente rilevante perché oltre il 90 per cento delle stelle giganti analizzate risulta invece quasi completamente privo di polvere circostante.
Sextans A, una galassia vicina simile a quelle dell’Universo giovane
L’oggetto scelto dagli scienziati per condurre lo studio è Sextans A, una galassia nana situata ai margini del Gruppo Locale, l’insieme di galassie di cui fa parte anche la Via Lattea. La sua caratteristica principale è un contenuto eccezionalmente basso di quelli che in astronomia vengono definiti metalli, cioè tutti gli elementi chimici più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Secondo le stime riportate nello studio, la quantità di metalli presente in Sextans A è compresa tra appena l’1 per cento e il 7 per cento di quella osservata nel Sole. Una composizione tanto povera rende questa galassia un vero e proprio laboratorio cosmico naturale, particolarmente adatto a ricostruire processi avvenuti in epoche molto remote. Le galassie che popolavano l’Universo giovane erano infatti caratterizzate da una disponibilità molto più ridotta di elementi pesanti rispetto alle galassie attuali. Osservare Sextans A consente quindi di studiare in una galassia relativamente vicina condizioni chimiche simili a quelle esistenti miliardi di anni fa, senza dover analizzare direttamente oggetti estremamente lontani e difficili da osservare. “Studiare direttamente le galassie che popolavano l’Universo primordiale è ancora molto difficile”, spiega Claudio Gavetti, “per questo osservare una galassia vicina come Sextans A, che presenta condizioni chimiche simili, ci offre un’opportunità preziosa per capire come si siano evolute le prime generazioni di stelle e quale ruolo abbiano avuto nel trasformare il mezzo interstellare”.
Le osservazioni di NIRCam e MIRI a bordo del telescopio James Webb
Per ricostruire la popolazione stellare di Sextans A, gli autori hanno utilizzato le osservazioni ad altissima risoluzione ottenute attraverso NIRCam e MIRI, due degli strumenti scientifici installati a bordo del JWST della NASA. Le immagini e i dati raccolti dal telescopio sono stati combinati con modelli teorici d’avanguardia capaci di mettere in relazione l’evoluzione della stella con il processo di formazione della polvere all’interno del suo vento circumstellare, cioè il flusso di materia espulso dall’astro durante determinate fasi della sua vita. Questo approccio ha consentito agli scienziati di mappare l’intera popolazione di stelle che si trovano nella fase evolutiva nota come ramo asintotico delle giganti rosse. Si tratta di astri evoluti che hanno raggiunto uno degli stadi finali della propria esistenza e che, attraverso la perdita di materia, possono contribuire a modificare la composizione dell’ambiente circostante. La capacità del James Webb di osservare queste popolazioni stellari con elevata precisione ha reso possibile non soltanto distinguere le singole sorgenti, ma anche confrontare direttamente i dati ottenuti con le previsioni elaborate dai modelli teorici. “Il James Webb ci permette di osservare con un livello di dettaglio senza precedenti ambienti che fino a pochi anni fa erano fuori dalla nostra portata. Il valore di questi dati non è solo nelle immagini, ma nella possibilità di confrontarle con i modelli teorici e verificare quanto descrivano correttamente l’evoluzione delle stelle”, commenta Flavia Dell’Agli, ricercatrice INAF e coautrice del lavoro.
Oltre il 90% delle stelle giganti è quasi privo di polvere
La mappatura realizzata dagli scienziati ha mostrato una netta differenza all’interno della popolazione di stelle giganti di Sextans A. La stragrande maggioranza degli astri osservati, una quota superiore al 90%, è risultata quasi completamente priva di polvere nelle proprie regioni circostanti. Il dato dimostra quanto possa essere difficile per una stella produrre materiale solido quando si trova in un ambiente con una disponibilità estremamente ridotta di elementi chimici pesanti. La formazione della polvere interstellare richiede infatti la presenza di specifiche materie prime, che in una galassia povera di metalli come Sextans A risultano particolarmente scarse. All’interno di questo scenario, l’individuazione di un piccolo sottoinsieme di stelle fortemente oscurate dalla polvere assume un’importanza ancora maggiore. Il team ha riconosciuto venti stelle avvolte da spessi gusci di polvere, distinguendole nettamente dal resto della popolazione analizzata. La scoperta indica che, sebbene il fenomeno non sia diffuso tra tutte le giganti evolute della galassia, alcune stelle riescono comunque a diventare efficienti produttrici di polvere persino in condizioni chimiche estreme.
Le venti fabbriche di polvere nate tra due e tre miliardi di anni fa
L’analisi combinata delle osservazioni del James Webb e dei modelli teorici ha permesso di ricostruire anche l’origine delle venti stelle circondate da spessi involucri di materiale. Quasi la totalità di queste fabbriche di polvere cosmica si sarebbe formata in un periodo compreso tra due e tre miliardi di anni fa. Gli astri da cui hanno avuto origine possedevano una massa iniziale pari a circa una volta e mezzo la massa del Sole. Il risultato mette quindi in relazione la capacità di produrre polvere con una specifica popolazione stellare, caratterizzata sia da una determinata massa iniziale sia da un’età comune. Non tutte le stelle giganti di Sextans A sembrano contribuire allo stesso modo alla formazione della polvere: il processo appare concentrato in un numero limitato di oggetti con caratteristiche precise. La presenza di questi gusci spessi dimostra che anche stelle nate in un ambiente con pochissimi metalli possono arrivare, durante le fasi più avanzate della propria evoluzione, a espellere e accumulare quantità rilevanti di polvere nel proprio spazio circumstellare.
Nuovi vincoli sulla produzione di polvere nell’Universo primordiale
Lo studio rappresenta un passo avanti nella comprensione dell’efficienza con cui le stelle giganti evolute possono produrre polvere negli ambienti primordiali. Il problema è centrale perché, nelle prime fasi della storia cosmica, gli elementi chimici necessari alla formazione dei granelli di polvere erano molto meno abbondanti rispetto a oggi. Analizzando un ambiente vicino ma chimicamente simile a quelli antichi, i ricercatori hanno ottenuto nuovi riferimenti osservativi con cui verificare e perfezionare i modelli teorici. Il confronto tra le immagini ad alta risoluzione e le simulazioni che collegano l’evoluzione stellare alla produzione di polvere permette di stabilire con maggiore precisione quali stelle siano in grado di contribuire al materiale interstellare e in quali condizioni. Sextans A offre così la possibilità di osservare indirettamente processi analoghi a quelli che potrebbero aver caratterizzato le prime generazioni stellari. La galassia nana diventa un punto di osservazione privilegiato per comprendere il ruolo svolto dalle stelle evolute nella trasformazione del mezzo interstellare, anche quando la disponibilità di elementi pesanti è estremamente limitata.
Perché la polvere interstellare è fondamentale per la nascita di stelle e pianeti
Comprendere l’origine della polvere cosmica non riguarda soltanto lo studio delle fasi finali della vita delle stelle. La polvere interstellare svolge infatti una funzione decisiva nell’evoluzione delle galassie e nella formazione di nuovi sistemi astronomici. I granelli di polvere agiscono come catalizzatori nel processo di raffreddamento del gas interstellare. Quando il gas riesce a perdere calore, può addensarsi più facilmente fino a creare le condizioni necessarie per la nascita di nuove generazioni di stelle. Gli stessi processi costituiscono inoltre un passaggio fondamentale nella formazione dei sistemi planetari. Stabilire se e quanto efficacemente le stelle giganti fossero in grado di produrre polvere in ambienti poveri di metalli significa quindi ricostruire uno dei meccanismi che hanno contribuito alla progressiva trasformazione dell’Universo. I risultati ottenuti grazie al James Webb Space Telescope aggiungono un nuovo tassello alla comprensione di questo processo. L’identificazione delle venti stelle polverose di Sextans A mostra che la produzione di materiale interstellare poteva avvenire anche in condizioni simili a quelle dell’Universo primordiale, seppure all’interno di una porzione molto specifica della popolazione stellare. Lo studio aiuta così a chiarire come le stelle evolute abbiano potuto arricchire l’ambiente circostante e contribuire a creare le condizioni da cui, nel corso del tempo, sono nate nuove stelle e nuovi sistemi planetari, fino alla formazione dell’Universo osservabile oggi.
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