Un gruppo di astronomi che studia i dati del James Webb Space Telescope (JWST) ha intravisto la luce dell’elio ionizzato in una galassia lontana, il che potrebbe indicare la presenza della primissima generazione di stelle dell’universo.
Queste stelle a lungo ricercate, chiamate in modo inappropriato “Popolazione III”, sarebbero state enormi sfere di idrogeno ed elio scolpite dal gas primordiale dell’universo. I teorici hanno iniziato a immaginare queste prime palle di fuoco negli anni ’70, ipotizzando che, dopo brevi vite, sarebbero esplose come supernove, forgiando elementi più pesanti ed espellendoli nel cosmo. Quel materiale stellare in seguito ha dato origine a stelle di Popolazione II più abbondanti di elementi pesanti, che, a loro volta, hanno generato stelle di Popolazione I ancora più ricche di materiali pesanti come il nostro Sole, così come pianeti, asteroidi, comete e infine la vita stessa.
“Esistiamo, quindi sappiamo che deve esserci stata una prima generazione di stelle“, ha detto Rebecca Bowler, astronoma dell’Università di Manchester nel Regno Unito.
Ora Xin Wang, astronomo dell’Accademia cinese delle scienze di Pechino, ed i suoi colleghi pensano di averle trovate. “È davvero surreale“, ha detto Wang. La conferma è ancora necessaria; il documento del team, pubblicato sul server di prestampa arxiv.org l’8 dicembre, è in attesa di revisione tra pari su Nature .
Anche se i ricercatori si sbagliassero, un rilevamento più convincente delle prime stelle potrebbe non essere lontano. Si ritiene che il JWST, che sta trasformando vaste aree dell’astronomia, sia in grado di scrutare abbastanza lontano nello spazio e nel tempo per vederle. Il telescopio spaziale ha già rilevato galassie lontane la cui insolita luminosità suggerisce che potrebbero contenere stelle di Popolazione III.
“Questa è assolutamente una delle domande più scottanti“, ha detto Mike Norman, un fisico dell’Università della California, a San Diego, che studia le stelle nelle simulazioni al computer.
Una scoperta definitiva consentirebbe agli astronomi di iniziare a sondare le dimensioni e l’aspetto delle stelle, quando sono esistite e come, nell’oscurità primordiale, si sono improvvisamente illuminate. “È davvero uno dei cambiamenti più fondamentali nella storia dell’universo“, ha detto Bowler.
Stelle di popolazione III
Circa 400.000 anni dopo il Big Bang, elettroni, protoni e neutroni si erano stabilizzati abbastanza da combinarsi in atomi di idrogeno ed elio. Man mano che la temperatura continuava a scendere, la materia oscura si è gradualmente accumulata, trascinando con sé gli atomi. All’interno di questi grumi, l’idrogeno e l’elio sono stati schiacciati dalla gravità, condensandosi in enormi sfere di gas fino a quando, una volta raggiunta la densità necessaria, la fusione nucleare si è improvvisamente accesa nei loro centri. Erano nate le prime stelle.
L’astronomo tedesco Walter Baade ha classificato le stelle della nostra galassia in tipi I e II nel 1944. Il primo include il nostro Sole e altre stelle ricche di metalli; queste ultime contengono stelle più vecchie costituite da elementi più leggeri.
L’idea delle stelle di Popolazione III è entrata in letteratura decenni dopo. In un articolo del 1984 che ha innalzato il loro profilo, l’astrofisico britannico Bernard Carr ha descritto il ruolo vitale che questa razza originale di stelle potrebbe aver svolto nell’universo primordiale. “Il loro calore o le esplosioni potrebbero aver reionizzato l’universo“, hanno scritto Carr e i suoi colleghi, “… e la loro produzione di elementi pesanti potrebbe aver prodotto un’esplosione di arricchimento pregalattico“, dando origine a stelle successive più ricche di elementi più pesanti.
Carr e i suoi coautori hanno stimato che le stelle potrebbero essere cresciute fino a dimensioni immense, fino a 100.000 volte più massicce del nostro sole, a causa del grande volume di idrogeno ed elio gassoso disponibile nell’universo primordiale.
Quelle all’estremità più pesante della gamma, le cosiddette stelle supermassicce, sarebbero state relativamente fredde, rosse e gonfie, con dimensioni che avrebbero potuto comprendere quasi tutto il nostro sistema solare. Varianti più dense e di dimensioni più modeste delle stelle di Popolazione III avrebbero brillato di una luce azzurra, con temperature superficiali di circa 50.000 gradi Celsius, rispetto ai soli 5.500 gradi del nostro sole.
Nel 2001, le simulazioni al computer condotte da Norman hanno spiegato come potrebbero formarsi stelle così grandi. Nell’universo attuale, le nubi di gas si frammentano in tante piccole stelle. Ma le simulazioni hanno mostrato che le nubi di gas nell’universo primordiale, essendo molto più calde delle nubi moderne, non potevano condensarsi così facilmente ed erano quindi meno efficienti nella formazione stellare. Invece, probabilmente, intere nuvole collassavano in un’unica stella gigante.
Le loro immense proporzioni significavano che le stelle avevano vita breve, durando al massimo qualche milione di anni (le stelle più massicce bruciano più rapidamente il loro combustibile). In quanto tali, le stelle di Popolazione III non sarebbero durate a lungo nella storia dell’universo, forse poche centinaia di milioni di anni quando le ultime sacche di gas primordiale si dissiparono.
Ci sono molte incertezze. Quanto sono diventate massicce queste stelle? Fino a quando sono esistite nell’universo? E quanto erano abbondanti nell’universo primordiale? “Erano stelle completamente diverse dalle stelle della nostra galassia“, ha detto Bowler. “E sono, quindi, interessanti.”
introduzione
Poiché sono così lontane e sono esistite così brevemente, trovare le prove della loro esistenza è stata una sfida. Tuttavia, nel 1999, gli astronomi dell’Università del Colorado, Boulder, hanno predetto che queste stelle dovrebbero produrre una firma rivelatrice: specifiche frequenze di luce emesse dall’elio II, o atomi di elio a cui manca un elettrone, quando l’elettrone rimanente di ogni atomo si sposta tra i livelli di energia. “L’emissione di elio in realtà non proviene dall’interno delle stelle stesse“, ha spiegato James Trussler, astronomo dell’Università di Manchester; piuttosto, si genera quando i fotoni energetici provenienti dalle superfici calde delle stelle si riversano nel gas che circonda la stella.
“È una previsione relativamente semplice“, ha affermato Daniel Schaerer dell’Università di Ginevra, che ha ampliato l’idea nel 2002. La caccia era aperta.
Alla ricerca delle prime stelle
Nel 2015, Schaerer e i suoi colleghi pensarono di aver trovato qualcosa. Avevano rilevato un possibile indizio di una firma di elio II in una lontana galassia primitiva che potrebbe essere stata collegata a un gruppo di stelle di Popolazione III. Vista come appariva 800 milioni di anni dopo il Big Bang, la galassia sembrava poter contenere la prima prova delle prime stelle nell’universo.
Il lavoro successivo condotto da Bowler ha contestato i risultati. “Abbiamo trovato prove dell’emissione di ossigeno dalla fonte. Ciò esclude uno scenario di Popolazione III puro“, ha affermato. Un gruppo indipendente quindi non è riuscito a rilevare la riga dell’elio II vista dal team iniziale. “Non c’era“, ha detto Bowler.
Gli astronomi hanno riposto le loro speranze su JWST, che è stato lanciato nel dicembre 2021. Il telescopio, con il suo enorme specchio e una sensibilità senza precedenti alla luce infrarossa, può scrutare più facilmente nell’universo primordiale di qualsiasi telescopio precedente. Il telescopio può anche eseguire la spettroscopia, scomponendo la luce nelle sue lunghezze d’onda componenti, cosa che gli dovrebbe consentire di cercare il segno distintivo dell’elio II della popolazione III di stelle.
Il team di Wang ha analizzato i dati spettroscopici per oltre 2.000 obiettivi del JWST. Una è una galassia lontana vista come appariva appena 620 milioni di anni dopo il Big Bang. Secondo i ricercatori, la galassia è divisa in due parti. La loro analisi ha mostrato che una metà sembra avere la firma chiave dell’elio II mescolata con la luce di altri elementi, indicando potenzialmente una popolazione ibrida di migliaia di Popolazione III e altre stelle. La spettroscopia della seconda metà della galassia deve ancora essere eseguita, ma la sua luminosità suggerisce un ambiente più ricco di Popolazione III.
“Stiamo cercando di richiedere il tempo di osservazione per JWST nel prossimo ciclo per coprire l’intera galassia“, ha detto Wang, al fine di “avere una possibilità di confermare tali oggetti“.
Se i risultati dell’elio II resisteranno al controllo, ha detto, “una possibilità è che si tratti di un ammasso di stelle di Popolazione III“. Tuttavia, non è sicuro che le stelle di Popolazione III e le stelle successive possano mescolarsi così facilmente.
introduzione
Daniel Whalen, astrofisico dell’Università di Portsmouth, è stato altrettanto cauto. “Potrebbe sicuramente essere la prova di una miscela di stelle di Popolazione III e Popolazione II in una galassia“, ha detto. Tuttavia, sebbene questa sarebbe “la prima prova diretta” delle prime stelle dell’universo, ha detto Whalen, “non è una prova chiara“. Altri oggetti cosmici bollenti possono produrre una simile firma di elio II, inclusi i dischi roventi di materiale che ruotano attorno ai buchi neri.
Wang pensa che il suo team possa escludere un buco nero come fonte perché non ha rilevato le firme specifiche di ossigeno, azoto o carbonio ionizzato che ci si aspetterebbe in quel caso. Tuttavia, il lavoro attende ancora la revisione tra pari e, anche in questo caso, le osservazioni di follow-up dovranno confermare i suoi potenziali risultati.
Una pista calda
Anche altri gruppi che utilizzano JWST stanno cercando le prime stelle.
Oltre a cercare l’elio II, un altro metodo di ricerca, proposto dall’astronomo Rogier Windhorst dell’Arizona State University e colleghi nel 2018, consiste nell’usare la gravità di ammassi giganti di galassie per vedere le singole stelle nell’universo primordiale.
L’utilizzo di un oggetto massiccio come un ammasso per deformare la luce e ingrandire oggetti più distanti (una tecnica nota come lente gravitazionale) è un modo comune con cui gli astronomi ottengono viste di galassie lontane. Windhorst crede che anche le singole stelle della Popolazione III che si avvicinano al bordo di un ammasso pesante “potrebbero in linea di principio subire un ingrandimento quasi infinito” e apparire alla vista.
Windhorst guida un programma JWST che sta tentando la tecnica. “Sono abbastanza fiducioso che tra un anno o due ne avremo viste alcune“, ha detto. “Abbiamo già alcuni candidati“. Allo stesso modo, Eros Vanzella, un astronomo dell’Istituto Nazionale di Astrofisica in Italia, sta conducendo un programma che sta studiando un gruppo di 10 o 20 stelle candidate di Popolazione III usando la lente gravitazionale. “Stiamo solo giocando con i dati ora“, ha detto.
E rimane l’allettante possibilità che alcune delle galassie inaspettatamente luminose già viste da JWST nell’universo primordiale possano dover la loro luminosità a massicce stelle di Popolazione III. “Queste sono esattamente le epoche in cui ci aspettiamo che si siano formate le prime stelle“, ha detto Vanzella. “Spero… che nelle prossime settimane o mesi vengano rilevate le prime stelle“.
