Poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo primordiale vide la nascita delle sue prime stelle, emerse da vaste e inalterate nubi di idrogeno ed elio. Le recenti e straordinarie osservazioni compiute dal James Webb Space Telescope (JWST) suggeriscono che alcune di queste stelle nascenti potrebbero essere state radicalmente diverse dalle stelle familiari che gli astronomi studiano da secoli, le quali sono alimentate esclusivamente dalla fusione nucleare.
L’enigma dell’Universo Primordiale: stelle diverse nell’Universo Neonatale
Un nuovo studio, condotto da Cosmin Ilie della Colgate University in collaborazione con Shafaat Mahmud, Jillian Paulin (ora all’Università della Pennsylvania) e Katherine Freese dell’Università del Texas ad Austin, ha identificato quattro oggetti estremamente distanti. L’aspetto e le firme spettrali di questi oggetti corrispondono con precisione alle previsioni scientifiche sulle stelle oscure supermassicce.
Come ha spiegato Cosmin Ilie, le stelle oscure supermassicce sono definite come nubi estremamente luminose, giganti e gonfie. Esse sono composte prevalentemente da idrogeno ed elio. La loro caratteristica distintiva risiede nel meccanismo che le sostiene: sono infatti mantenute contro il collasso gravitazionale dalle minuscole quantità di materia oscura auto-annichilante presenti al loro interno, un combustibile non convenzionale che le distingue dalle stelle standard.
L’esistenza di queste stelle oscure supermassicce e, soprattutto, dei buchi neri che ne derivano, potrebbe offrire la chiave per risolvere due grandi enigmi sollevati dalle recenti osservazioni di JWST. Il primo riguarda l’osservazione di galassie estremamente luminose, compatte e sorprendentemente più grandi del previsto, individuate a grande distanza. Il secondo mistero concerne l’origine dei buchi neri supermassicci che alimentano i quasar più distanti mai osservati, la cui rapida formazione è difficile da spiegare con i modelli stellari tradizionali.
Il concetto teorico alla base delle stelle oscure ha radici relativamente recenti, evidenziando il ruolo critico della materia oscura in questo contesto. L’idea delle stelle oscure fu proposta per la prima volta da Katherine Freese, in collaborazione con Doug Spolyar e Paolo Gondolo. Il loro primo articolo scientifico sottoposto a peer-review sul concetto fu pubblicato su Physical Review Letters nel 2008. Quello studio delineava il potenziale processo attraverso il quale le stelle oscure potessero accrescersi e, infine, collassare per formare i buchi neri supermassicci nell’universo primordiale.
Nel 2010, Freese, Ilie, Spolyar e altri collaboratori espansero la teoria su The Astrophysical Journal, descrivendo nel dettaglio due possibili processi che avrebbero potuto consentire alle stelle oscure di raggiungere dimensioni immense, e avanzando la previsione che potessero innescare i buchi neri identificati nei primi quasar conosciuti.
Si stima che la materia oscura costituisca circa un quarto della massa totale dell’universo, ma la sua natura rimane uno dei misteri scientifici più significativi. La comunità scientifica ipotizza che sia composta da un tipo di particella elementare non ancora rilevata. Nonostante decenni di esperimenti dedicati alla loro ricerca, queste particelle restano elusive. Una delle principali ipotesi riguarda le Particelle Massicce Debolmente Interagenti (WIMP).
La teoria prevede che quando due WIMP si scontrano, si annichiliscano reciprocamente, rilasciando una notevole quantità di energia. È questa energia a riscaldare le nubi di idrogeno in fase di collasso, fornendo il supporto termico che le fa brillare come brillanti ma atipiche stelle oscure.
Dove nascevano le prime stelle oscure
Le condizioni esistenti nell’universo primordiale, appena poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, risultavano ideali per la formazione di queste stelle atipiche. Tali condizioni erano concentrate all’interno di regioni dense e primordiali note come aloni di materia oscura. È cruciale notare che queste medesime regioni erano anche quelle in cui gli astronomi si aspettavano l’apparizione della primissima generazione di stelle normali, alimentate dalla fusione.
Per la prima volta in assoluto, il team di ricerca ha identificato candidati stelle oscure supermassicce attraverso l’analisi spettroscopica ottenuta dal James Webb Space Telescope (JWST). Tra i candidati figurano gli oggetti più distanti finora studiati, inclusi i primi oggetti scoperti a redshift 14, risalenti a soli 300 milioni di anni dopo il Big Bang.
Come afferma con entusiasmo Katherine Freese, titolare della cattedra Jeff e Gail Kodosky e direttrice presso l’Università del Texas ad Austin, queste stelle oscure primordiali, con una massa potenziale un milione di volte superiore a quella del Sole, sono fondamentali non solo per approfondire la conoscenza sulla materia oscura, ma anche come precursori essenziali dei primi buchi neri supermassicci osservati dal JWST, la cui rapida genesi risulta altrimenti estremamente difficile da spiegare.
l processo di identificazione è stato un’evoluzione metodologica. Inizialmente, Paulin e Freese avevano identificato tre potenziali candidate stelle oscure supermassicce – JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0 – utilizzando i dati fotometrici dello strumento NIRCam del JWST. Successivamente, la disponibilità degli spettri generati dallo strumento NIRSpec del JWST per questi e altri oggetti estremamente distanti ha permesso al team, ora ampliato includendo Shafaat Mahmud, di approfondire l’analisi.
Il team ha analizzato gli spettri e la morfologia di quattro dei corpi celesti più lontani mai osservati, inclusi due candidati del loro studio precedente: JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 e JADES-GS-z11-0. L’analisi ha concluso che ognuno di essi è pienamente coerente con un’interpretazione di stella oscura supermassiccia.
In particolare, JADES-GS-z14-1 non risulta risolta, indicando che è coerente con una sorgente puntiforme, proprio come ci si aspetterebbe da una stella supermassiccia molto distante! Gli altri tre oggetti, pur essendo estremamente compatti, possono essere modellati come stelle oscure supermassicce che alimentano una nebulosa circostante, ovvero gas di idrogeno ed elio ionizzati! Sebbene ognuno dei quattro oggetti analizzati sia, in letteratura, coerente anche con una potenziale interpretazione galattica, la ricerca si è focalizzata sulla firma inconfutabile delle stelle oscure.
Le stelle oscure dovrebbero esibire una firma inconfutabile: una chiara caratteristica di assorbimento a 1640 Angstrom, generata dalle grandi quantità di elio singolarmente ionizzato presenti nelle loro atmosfere estese. È con grande emozione che il team ha rivelato come uno dei quattro oggetti analizzati, specificamente JADES-GS-z14-0, mostri effettivamente segnali di questa caratteristica.
Come ha condiviso il Professor Ilie, uno dei momenti più elettrizzanti è stato la scoperta del calo di assorbimento a 1640 Angstrom nello spettro di JADES-GS-z14-0! Pur riconoscendo che il rapporto segnale/rumore di questa specifica caratteristica è relativamente basso (S/N \sim 2), questa è la primissima volta in assoluto che i ricercatori hanno trovato una potenziale firma inconfutabile di una stella oscura, un fatto che, di per sé, è assolutamente notevole e apre scenari inesplorati per l’astrofisica.
Integrazione dei dati e natura ambientale degli oggetti
Le indagini astrofisiche sulla natura di questi oggetti distanti sono proseguite attraverso l’impiego di strumentazioni complementari. Utilizzando l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), gli astronomi hanno misurato lo spettro del medesimo oggetto precedentemente analizzato, portando alla luce la presenza di ossigeno tramite una riga di emissione nebulare.
I ricercatori hanno stabilito che, qualora entrambe le caratteristiche spettrali venissero confermate – la potenziale firma di stella oscura e la riga di ossigeno – l’oggetto in questione non potrebbe essere classificato come una stella oscura isolata. Dovrebbe invece trattarsi di una stella oscura immersa in un ambiente ricco di metalli.
Questa inconsueta configurazione ambientale suggerisce due possibili scenari astrofisici. Il primo scenario ipotizza una fusione cosmica, in cui un alone di materia oscura contenente la stella oscura si unisce successivamente con una galassia preesistente. La seconda ipotesi, che i ricercatori hanno ora accertato essere teoricamente possibile, suggerisce che le stelle oscure e le stelle normali potrebbero essersi formate contemporaneamente all’interno dello stesso alone ospite di materia oscura.
L’identificazione e la conferma dell’esistenza di stelle oscure supermassicce avrebbero implicazioni profonde che trascendono la semplice scoperta. Questa scoperta aprirebbe la possibilità di condurre studi diretti sulla materia oscura basandosi unicamente sulle proprietà osservate di questi oggetti luminosi. L’analisi della loro massa, luminosità e composizione spettrale potrebbe fornire indizi cruciali sulla natura delle particelle di materia oscura, come le WIMP, finora non rilevate.
Il successo in questa impresa inaugurerebbe di fatto un intero nuovo campo di ricerca astronomica: lo studio delle stelle alimentate dalla materia oscura. La ricerca attuale, che ha identificato i primi candidati spettroscopici, costituisce un passo fondamentale e preliminare verso l’istituzione di questa nuova disciplina astrofisica.
Lo studio è stato pubblicato su PNAS.
