Un team di ricercatori dell’Università di Tokyo stava lavorando all’analisi di un quasar distante, osservato con il telescopio Gemini North di 8,1 metri alle Hawaii, gestito da NOIRLab e parte dell’Osservatorio Gemini. Durante lo studio, gli scienziati hanno trovato un’insolita proporzione di elementi chimici, che ipotizzano provenire dai detriti dell’esplosione di una tra le stelle dell’Universo primordiale. Questa stella di prima generazione avrebbe avuto circa 300 volte la massa del nostro Sole.

Questa scoperta, ancora da confermare, potrebbe far luce su tutto ciò che ancora non conosciamo dell’Universo primordiale. Se il materiale misterioso identificato dagli scienziati costituisse i resti chimici di una stella antica quanto l’Universo, questa sarebbe un’enorme svolta dopo decenni di ricerche, ipotesi e mancanza di prove dirette.

Le stelle di prima generazione

Le primissime stelle si sono probabilmente formate quando l’Universo aveva solo 100 milioni di anni, meno dell’1% della sua età attuale. Note come Popolazione III, o stelle di prima generazione, queste stelle erano così massicce che quando terminavano la loro vita come supernovae si laceravano completamente, disseminando lo spazio interstellare di una miscela distintiva di elementi pesanti.

Utilizzando un metodo innovativo per dedurre gli elementi chimici contenuti nelle nubi che circondano il quasar oggetto dello studio, gli scienziati hanno notato una composizione molto insolita. Il materiale conteneva oltre 10 volte più ferro che magnesio rispetto al rapporto di questi elementi che si trova nel nostro Sole.

Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile per questa caratteristica sia che il materiale sia stato lasciato da una stella di prima generazione esplosa come supernova a instabilità di coppia (Core-Instability Supernova). Queste versioni straordinariamente potenti delle esplosioni di supernova non sono mai state osservate, ma si ipotizza che siano la fine della vita di stelle gigantesche con una massa compresa tra 150 e 250 volte quella del Sole.

La super-supernova ciba lo spazio interstellare

Le esplosioni di supernove a instabilità di coppia avvengono quando i fotoni al centro di una stella si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni (il positrone è la controparte di antimateria con carica positiva dell’elettrone). Questa conversione riduce la pressione delle radiazioni all’interno della stella, permettendo alla gravità di superarla e causando il collasso e la successiva esplosione. Un evento simile è così catastrofico da essere anche noto con il nome di super-supernova.

A differenza di altre supernove, questi eventi non lasciano resti stellari, come una stella di neutroni o un buco nero, ma espellono tutto il materiale nell’ambiente circostante. Ci sono solo due modi per trovarne le prove:

1. Catturare una supernova a instabilità di coppia nel momento stesso in cui si verifica (un’eventualità altamente improbabile).
2. Identificare la firma chimica della super-supernova nel materiale espulso nello spazio interstellare.

Per la loro ricerca, gli astronomi usato i dati dello spettrografo Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Pur portando informazioni sugli elementi chimici costitutivi, uno spettro elettromagnetico non permette facilmente di dedurre le abbondanze di ciascun elemento. La luminosità di una linea spettrale, infatti, dipende da molti fattori, non solo dalla quantità dell’elemento nella composizione chimica dell’oggetto studiato.

Il metodo innovativo per la composizione chimica delle stelle

La ricerca di prove chimiche di una precedente generazione di stelle di Popolazione III ad alta massa era già stata effettuata in passato tra le stelle dell’alone della Via Lattea. Nel 2014 è stata presentata almeno una identificazione provvisoria. Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima dell’Università di Tokyo e i loro colleghi, tuttavia, ritengono che il nuovo risultato fornisca la firma più chiara di una supernova a instabilità di coppia sulla base del rapporto di abbondanza magnesio-ferro estremamente basso presentato in questo quasar.

Infatti, hanno affrontato il problema sviluppando un metodo che utilizza l’intensità delle lunghezze d’onda nello spettro di un quasar per stimare l’abbondanza degli elementi presenti. È stato proprio utilizzando questo metodo per analizzare lo spettro del quasar che loro e i loro colleghi hanno scoperto il rapporto magnesio/ferro, decisamente basso. Di seguito un video di NOIRLab che presenta la scoperta. Credits:  NOIRLab/NSF/AURA, S. Brunier/Digitized Sky Survey 2, E. Slawik, J. Pollard

Firme chimiche di stelle primordiali anche vicino a noi

I ricercatori dell’Università di Tokyo ritengono che si potrebbero trovare le firme chimiche di antiche stelle distrutte da super-supernove anche più vicino a noi. Sebbene le stelle di Popolazione III ad alta massa si siano estinte molto tempo fa, le impronte chimiche che lasciano nel materiale espulso possono durare molto più a lungo e potrebbero persistere ancora oggi. Ciò significa che gli astronomi potrebbero essere in grado di trovare le firme delle esplosioni di supernove a instabilità di coppia di stelle scomparse da tempo ancora impresse negli oggetti del nostro Universo locale.

Per verificare questa interpretazione in modo più approfondito, sono necessarie molte altre osservazioni per vedere se altri oggetti presentano caratteristiche simili. Tuttavia, ora che si sa cosa cercare, si conosce anche il percorso da portare avanti. In particolare, dove e come trovare le prove per svelare uno dei più grandi misteri dell’Universo primordiale.

Lo studio, accettato per la pubblicazione in The Astrophysical Journal, è disponibile qui in versione pre-print.

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