Gli astronomi affermano di aver individuato le prime stelle dell'universo

Un gruppo di astronomi, analizzando attentamente i dati del James Webb Space Telescope (JWST), ha intravisto la luce proveniente da un raro isotopo di elio in una galassia lontana, che potrebbe indicare la presenza della primissima generazione di stelle dell'universo.

Queste stelle a lungo ricercate, chiamate in modo inappropriato "Population 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 '1970, ipotizzando che, dopo brevi vite, sarebbero esplose come supernove, forgiando elementi più pesanti e vomitandoli nel cosmo. Quel materiale stellare in seguito ha dato origine a stelle di Popolazione II più abbondanti di elementi pesanti, quindi stelle di Popolazione I ancora più ricche 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, astronomo dell'Università di Manchester nel Regno Unito.

Ora Xin Wang, astronomo dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, ei suoi colleghi pensano di averli trovati. "È davvero surreale", ha detto Wang. La conferma è ancora necessaria; il giornale della squadra, pubblicato sul server di prestampa arxiv.org l'8 dicembre, è in attesa di peer review presso Natura.

Anche se i ricercatori si sbagliassero, un rilevamento più convincente delle prime stelle potrebbe non essere lontano. JWST, che è trasformando vaste aree dell'astronomia, è pensato in grado di scrutare abbastanza lontano nello spazio e nel tempo per vederli. Già, il gigantesco telescopio galleggiante ha rilevato galassie lontane il cui insolito luminosità suggerisce che potrebbero contenere stelle di Popolazione III. E altri gruppi di ricerca in lizza per scoprire le stelle con JWST stanno analizzando i propri dati ora. "Questa è assolutamente una delle domande più calde in corso", ha detto Mike Norman, un fisico dell'Università della California, 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.

Popolazione III

Circa 400,000 anni dopo il Big Bang, elettroni, protoni e neutroni si sono 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 dei grumi, l'idrogeno e l'elio sono stati schiacciati dalla gravità, condensandosi in enormi sfere di gas fino a quando, una volta che le sfere sono state abbastanza dense, la fusione nucleare si è improvvisamente accesa nei loro centri. Sono nate le prime stelle.

L'astronomo tedesco Walter Baade classificato le stelle nella nostra galassia nei tipi I e II nel 1944. Il primo include il nostro sole e altre stelle ricche di metalli; quest'ultimo contiene stelle più vecchie costituite da elementi più leggeri. L'idea delle stelle di Popolazione III è entrata in letteratura decenni dopo. In un documento del 1984 che ha innalzato il loro profilo, l'astrofisico britannico Bernard Carr descritto il ruolo fondamentale questa razza originale di star potrebbe aver giocato 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, misurando ovunque tra poche centinaia e 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, hanno spiegato le simulazioni al computer guidate da Norman 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, intere nuvole collasserebbero in un'unica stella gigante.

Le loro immense proporzioni significavano che le stelle avevano vita breve, durando al massimo qualche milione di anni. (Stelle più massicce bruciano più rapidamente attraverso il loro combustibile disponibile.) 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 sono dissipate.

Ci sono molte incertezze. Quanto sono diventate massicce queste stelle? Fino a che punto sono esistiti nell'universo? E quanto erano abbondanti nell'universo primordiale? "Sono stelle completamente diverse dalle stelle della nostra galassia", ha detto Bowler. "Sono solo oggetti così interessanti."

Poiché sono così lontani e sono esistiti così brevemente, trovarne le prove è stata una sfida. Tuttavia, nel 1999, gli astronomi dell'Università del Colorado, Boulder, hanno predetto che le stelle dovrebbero produrre una firma rivelatrice: una frequenza specifica della luce proveniente dall'elio-2. Questa forma instabile di elio contiene solo due protoni nel suo nucleo, mentre l'elio normale ha anche due neutroni. "L'emissione di elio in realtà non ha origine all'interno delle stelle stesse", ha spiegato James Trussler, un astronomo dell'Università di Manchester; piuttosto, è stato creato quando i fotoni energetici provenienti dalle superfici calde delle stelle si sono riversati nel gas che circondava la stella.

"È una previsione relativamente semplice", ha detto Daniel Schaerer dell'Università di Ginevra, che ampliato l'idea nel 2002. La caccia era aperta. 

Alla ricerca delle prime stelle

Nel 2015, Schaerer e i suoi colleghi pensavano di aver trovato qualcosa. Essi individuato un possibile indizio di una firma di elio-2 in una galassia lontana e 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 contenere la prima prova della presenza delle prime stelle nell'universo.

Lavoro successivo guidato da Bowler contestato i risultati. “Abbiamo trovato prove dell'emissione di ossigeno dalla fonte. Ciò ha escluso uno scenario di Popolazione III puro", ha affermato. Un gruppo indipendente quindi non è riuscito a rilevare la linea dell'elio-2 visto dalla squadra iniziale. "Non c'era", ha detto Bowler.

Altri potrebbero cavarsela meglio?

Gli astronomi riposto le loro speranze su JWST, lanciato nel dicembre 2021. Il telescopio, con il suo enorme specchio e una sensibilità senza precedenti alla luce infrarossa, può scrutare più facilmente l'universo primordiale di qualsiasi telescopio precedente. (Poiché la luce impiega tempo per viaggiare qui, il telescopio vede oggetti deboli e lontani come apparivano molto tempo fa.) Il telescopio può anche eseguire la spettroscopia, suddividendo la luce nelle sue lunghezze d'onda componenti, che gli consente di cercare il segno distintivo dell'elio-2 Stelle della popolazione III.

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 pezzi. La loro analisi ha mostrato che una metà sembra avere la tonalità di elio-2 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".

La galassia è un “grattacapo”, secondo Norman. Se i risultati dell’elio-2 resisteranno all’esame accurato, ha detto, “una possibilità è un ammasso di stelle di popolazione III”. Tuttavia, non è sicuro che le stelle di Popolazione III e le stelle successive possano mescolarsi insieme così facilmente.

Daniele 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, anche se questa sarebbe “la prima prova diretta” dell’esistenza delle prime stelle dell’universo, ha detto Whalen, “non è una prova chiara”. Altri oggetti cosmici molto caldi possono produrre una firma simile di elio-2, compresi 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.

Caldo sul sentiero

Anche altri gruppi che utilizzano JWST stanno cercando le prime stelle.

Oltre a cercare l'elio-2, un altro metodo di ricerca, proposto dall'astronomo Rogier Windhorst dell'Arizona State University e colleghi nel 2018, è quello di usa 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 credeva 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, ha detto.

Windhorst conduce un programma JWST che è tentare la tecnica. "Sono abbastanza fiducioso che tra un anno o due ne avremo visti alcuni", ha detto. "Abbiamo già alcuni candidati". Allo stesso modo, Eros Vanzella, astronomo dell'Istituto Nazionale di Astrofisica in Italia, lo è condurre un programma questo sta studiando un gruppo di 10 o 20 stelle candidate della Popolazione III usando la lente gravitazionale. "Stiamo solo giocando con i dati ora", ha detto.

E rimane l'allettante possibilità che alcuni dei galassie inaspettatamente luminose già viste da JWST nell'universo primordiale potrebbero dover la loro luminosità a massicce stelle di Popolazione III. "Queste sono esattamente le epoche in cui ci aspettiamo che si formino le prime stelle", ha detto Vanzella. "Spero... che nelle prossime settimane o mesi vengano rilevate le prime stelle".