Se stasera alzerai la testa a guardare le stelle, l’universo che vedrai non sarà esattamente com’è adesso. A causa del fatto che il tempo è relativo e la luce non è istantanea, vediamo le cose come erano quando hanno emesso la luce che arriva ai nostri occhi. Per un oggetto come il nostro Sole, la differenza è minuscola: la luce del Sole arriva ai nostri occhi dopo un viaggio di soli 150 milioni di km, che richiede poco più di 8 minuti per essere completato.
Ma le stelle, gli ammassi stellari, le nebulose e le galassie che vediamo in tutto l’Universo, a causa delle loro grandi distanze cosmiche, le vediamo come erano molto più tempo fa. Le stelle più vicine distano solo pochi anni luce, ma gli oggetti che sono distanti milioni o addirittura miliardi di anni luce, li vediamo come se fossero reperti archeologici della storia dell’Universo. La luce che riceviamo dalla galassia più lontana finora scoperta stata emessa quando l’Universo aveva poco più di 300 milioni di anni: il 3% della sua età attuale.
Con il lancio del telescopio spaziale James Webb della NASA abbiamo avuto accesso quasi all’alba dell’universo quando le stelle erano fondamentalmente diverse dalle stelle che abbiamo oggi.
Le stelle che vediamo
Le stelle che esistono oggi, per la maggior parte, si dividono in due categorie.
- Ci sono quelle simili al nostro Sole: con molti elementi diversi dall’idrogeno e dall’elio, che si sono formati miliardi di anni dopo il Big Bang, e includono molti materiali che generati dalle precedenti generazioni di stelle.
- Ci sono quelle fondamentalmente meno evolute del nostro Sole: si sono formate molto prima della nostra, con solo piccole quantità di elementi diversi dall’idrogeno e dall’elio, composte da poco materiale formato dalle prime generazioni di stelle.
Mentre il primo tipo di stella – ciò che gli astronomi chiamano stelle “ricche di metalli“, poiché per un astronomo, qualsiasi elemento sulla tavola periodica che non sia idrogeno o elio conta come un metallo – può avere dimensioni, masse e colori, lo stesso non è vero per questo secondo tipo di stella. Le stelle “povere di metalli” nel nostro universo sono straordinariamente piccole, di bassa massa e di colore rosso.
Perché le stelle ricche di metalli sono così diverse, ma le stelle povere di metalli sono tutte così simili tra loro?
La risposta è semplice: le stelle ricche di metalli esistono in un’ampia varietà di epoche, ma le stelle povere di metalli sono tutte molto, molto vecchie.
Quando guardiamo l’Universo e poniamo la domanda, “come si formano le stelle“, otteniamo molte risposte diverse.
Puoi avere nuvole di gas molto piccole e isolate che si raffreddano e si contraggono, formando alla fine solo un piccolo numero di stelle. Puoi avere nuvole di gas più grandi che si frammentano in grumi più piccoli, producendo un ammasso di stelle consistente in una posizione ma solo un piccolo numero altrove. Oppure puoi avere nuvole di gas molto grandi che portano a periodi intensi di formazione stellare, dove si formano contemporaneamente migliaia, centinaia di migliaia o anche milioni e milioni di stelle.
In modo schiacciante, tuttavia, la maggior parte delle stelle nell’Universo viene creata durante questi grandi eventi di formazione stellare. La formazione stellare è per lo più tranquilla e costante, con una nuova stella che si forma qua o là, ma la stragrande maggioranza della formazione stellare si verifica in queste esplosioni che creano un numero enorme di nuove stelle tutte in una volta, di tutte le diverse varietà.
Oggi, ogni volta che nascono un gran numero di nuove stelle tutte in una volta, ecco cosa succede.
- Le regioni di materia più estese e più dense iniziano a contrarsi più rapidamente; la gravitazione è un gioco di crescita incontrollata e qualunque regione abbia la maggiore quantità di massa collassa più rapidamente.
- La materia in contrazione deve raffreddarsi, irradiando l’energia ottenuta da questa contrazione gravitazionale.
- Più ricco di metalli (astronomici) è il gas, più efficiente è nell’irradiare il calore, il che significa che è facile per il gas collassare e formare nuove stelle.
- E quanto sia facile o difficile per il gas collassare e formare nuove stelle determina ciò che gli astronomi conoscono come “funzione di massa iniziale“, che ci dice quali saranno i tipi, le masse, i colori, le temperature e la durata delle stelle che si formano.
Ogni volta che hai una vasta regione di formazione stellare nell’Universo moderno, per quanto ne sappiamo, finisci sempre con più o meno gli stessi gruppi di stelle all’interno.
In media, la massa di una stella tipica sarà circa il 40% della massa del Sole. Le stelle di massa inferiore al nostro Sole saranno di colore più rosso, meno luminose nella loro luminosità intrinseca, più basse di temperatura e più longeve (a causa del tasso di fusione più basso che si verifica). Tuttavia, la stragrande maggioranza delle stelle che si formano, circa l’80%, sarà ancora meno massiccia della stella media.
Ciò lascia molto spazio alla formazione di alcune stelle molto massicce. Circa il 15% delle stelle che si formano sarà ancora di massa inferiore al nostro Sole, ma più massiccia di quella cifra del 40% circa, lasciando solo il 5% di tutte le stelle (in numero) che sono più massicce del nostro Sole.
Ma quelle stelle sono prevalentemente più luminose, più blu, più calde e anche con vita più breve del nostro Sole. La più grande collezione di cui siamo a conoscenza si trova in una massiccia regione di formazione stellare nella Nebulosa Tarantola. Nonostante si trovi nella Grande Nube di Magellano, solo la quarta galassia più grande del nostro Gruppo Locale, è la più grande regione di formazione stellare in un raggio di quasi 10 milioni di anni luce.
Anche se le stelle all’interno sembrano prevalentemente blu e luminose, non è esattamente così. Invece, le stelle più blu e più luminose sono le stelle più prominenti e facilmente visibili. Le stelle all’interno della Nebulosa Tarantola sono già a circa 165.000 anni luce di distanza, quindi sono solo le più luminose quelle chiaramente visibili a noi (vale la pena ricordare che la stella più vicina al nostro Sole, Proxima Centauri, è stata scoperta solo circa 100 anni fa. Ancora oggi, sapendo esattamente dove si trova, ci vuole un telescopio del diametro di una mano tesa per vederla).
Circa il 20% delle stelle all’interno della Nebulosa Tarantola, come in qualsiasi regione che si è formata di recente, sono tra il 40% e l’800% circa della massa del nostro Sole. Normalmente vivranno da centinaia di milioni a pochi miliardi di anni, bruceranno l’idrogeno nei loro nuclei, si gonfieranno in giganti rosse, fonderanno l’elio in carbonio e quindi espelleranno i loro strati esterni mentre i loro nuclei si contraggono in nane bianche.
Questo processo di morte stellare forma quella che chiamiamo una nebulosa planetaria ed è principalmente responsabile dell’origine di molti elementi, come il carbonio e l’ossigeno, essenziali per la biologia e la chimica presenti sulla Terra.
Al centro della Nebulosa Tarantola, tuttavia, ci sono le singole stelle più massicce che conosciamo, con dozzine di stelle che superano le 50 masse solari, due manciate di stelle oltre 100 masse solari e la più massiccia di tutte, R136a1, massa stimata di 260 soli.
Le luminose stelle blu bruciano il loro carburante molto in fretta, risplendendo milioni di volte più luminose del nostro Sole. Per questo la loro vita è breve e bruciano il carburante del loro nucleo in appena 1 o 2 milioni di anni: un decimillesimo della durata di una stella simile al Sole.
Le stelle che sono più massicce di circa 8 masse solari, quando nascono, finiranno la loro vita in una supernova, che ricicla gli elementi pesanti che sono stati forgiati all’interno della stella, sia durante la sua vita che durante il processo di trasformazione in supernova processo, espellendoli nel mezzo interstellare, dove arricchisce il materiale che verrà utilizzato per le future generazioni di stelle.
Questo materiale riciclato dalle supernove è principalmente responsabile dell’origine di alcune dozzine di elementi trovati nel nostro universo, ma ci sono altri modi con cui queste stelle contribuiscono. Inoltre, il loro nucleo collasserà in un buco nero o una stella di neutroni, ed entrambi giocano un ruolo nel popolare il nostro universo con gli elementi della tavola periodica.
Le fusioni di stelle di neutroni forniscono la maggior parte di molti degli elementi più pesanti dell’Universo, tra cui oro, platino, tungsteno e persino uranio. Anche se il nostro Sole è una stella “single”, non fatevi ingannare: circa il 50% di tutte le stelle esiste in sistemi multi-stellari composti da due o più stelle, e se due stelle massicce diventano entrambe stelle di neutroni, una fusione è inevitabile.
Nel frattempo, i buchi neri e le stelle di neutroni accelerano la materia intorno a loro, creando particelle ad alta energia note come raggi cosmici. Questi raggi cosmici entrano in collisione con tutti i tipi di particelle, inclusi alcuni degli elementi pesanti che sono stati creati nelle precedenti generazioni di stelle.
Attraverso un processo cosmico chiamato spallazione, in cui i raggi cosmici fanno esplodere questi nuclei pesanti, vengono prodotti alcuni nuclei più leggeri, comprese frazioni significative di litio, berillio e boro (elementi 3, 4 e 5).
Il fatto è che queste sono le stelle che si sono formate nell’Universo già arricchito: quelle che si sono formate di recente o che si stanno ancora formando oggi.
In precedenza, c’erano meno generazioni di stelle vissute e morte, e questo significa che c’erano meno elementi pesanti nelle stelle che si sono formate molto tempo fa. Quelle stelle povere di metalli esistono in grande abbondanza nella periferia della nostra galassia: membri di antiche strutture note come ammassi globulari. Ma questi hanno già molti miliardi di anni; tutte le stelle massicce in essi sono morte molto tempo fa.
Come sono le stelle povere di metalli quando sono appena nate? E, andando ancora più indietro nel tempo, com’era la primissima generazione di stelle: quelle che erano fatte di elementi che erano stati creati solo nel caldo Big Bang?
In teoria, erano di gran lunga peggiori nel “raffreddamento” rispetto al gas di formazione stellare di oggi, e quindi ci aspettiamo che le stelle precedenti siano:
- più grandi,
- più blu,
- più luminose,
- più massicce,
- e di breve durata,
rispetto alle stelle che si stanno formando oggi. Ci aspettiamo pienamente, con il lancio del telescopio spaziale James Webb, che uno dei suoi principali obiettivi e scoperte scientifiche sarà quello di trovare, identificare, fotografare e studiare queste prime popolazioni di stelle.
Se avrà successo, potremmo finalmente arrivare a capire quanto siano buone le nostre teorie sulla formazione stellare iniziale e scoprire quanto potrebbero diventare massicce queste prime stelle prive di metalli.
Ciò che è certo, tuttavia, è che le stelle nel giovane Universo erano significativamente diverse dalle stelle che stanno nascendo oggi.
Erano fatte di materiali diversi; il gas che collassava per formarle si raffreddava a velocità diverse; le dimensioni, le distribuzioni di massa, la luminosità, la durata e persino il destino di queste stelle erano probabilmente molto diverse dalle stelle che abbiamo oggi.
Eppure in questo momento, quando guardiamo l’Universo intorno a noi, tutto ciò che vediamo sono i sopravvissuti.
Se vogliamo trovare le stelle che un tempo dominavano l’Universo, non abbiamo altra scelta: dobbiamo guardare estremamente lontano, fino al più lontano, e, antico, Universo.
Miliardi e miliardi di anni fa, l’Universo era pieno di grandi quantità di stelle massicce e povere di metalli di nuova formazione e, in tempi ancora precedenti, le primissime stelle. Con l’avvento del telescopio spaziale James Webb, ci aspettiamo che queste sfuggenti popolazioni stellari non solo ci vengano rivelate, ma ci siano rivelate in dettaglio.
Nel frattempo, possiamo trarre conforto dal fatto che comprendiamo come il Big Bang, le stelle e i resti stellari abbiano dato origine agli elementi nel nostro Universo.
Mancano pochi mesi al lancio della tecnologia che ci svelerà tutto questo, il James Webb Space Telescope della NASA.
