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Nuova luce sulla formazione delle prime stelle e sull’Universo primordiale

Le proprietà di tre stelle primordiali, di circa 13 miliardi di anni, mettono in discussione la nostra interpretazione del periodo noto come "epoca oscura" dell’Universo.

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Regione di formazione stellare nella Grande Nube di Magellano. Diversamente da quanto finora ipotizzato le prime stelle sarebbero state non molto massicce e si sarebbero formate in piccoli gruppi comprendendo anche stelle con massa più piccola del Sole. | ESA/Hubble

Un team internazionale, guidato dall’italiano Piercarlo Bonifacio dell’Osservatorio di Parigi, ha scoperto tre stelle antichissime, le più vecchie finora scoperte, con una età di circa 13 miliardi di anni, che aprono una nuova prospettiva sulle primissime fasi evolutive dell’Universo, la cosiddetta epoca oscura (in inglese, dark age), cambiando il quadro delle nostre idee sull’Universo primordiale.

 

La maggior parte delle primissime stelle non sarebbero state di grande massa, come si credeva, ma più piccole del Sole, e avevano una composizione diversa da quella che si supponeva.

 

Stelle matusalemme. Le tre stelle sono state individuate analizzando un campione di quasi 183.000 astri appartenenti al catalogo della Sloan Digital Sky Survey (SDSS) con il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO. Il loro identikit è caratterizzato da una infinitesima abbondanza di ferro - centomila volte inferiore a quella del Sole - e da una elevata quantità di carbonio. Con un aspetto inspiegabile: non sono state osservate tracce di litio, il terzo elemento più leggero dopo idrogeno ed elio, che invece, secondo le teorie correnti, dovette formarsi nel Big Bang.

 

Schema della storia delle prime centinaia di milioni di anni dell’Universo, dall’epoca della ricombinazione (da cui proviene la radiazione cosmica di fondo) alla ri-ionizzazione dell’Universo ad opera delle prime stelle. | Amanda Smith

Il medioevo dell'Universo. I tre astri appartengono all'epoca oscura, che va da 380.000 a qualche centinaio di milioni di anni dopo la "grande esplosione" da cui ha avuto origine il tutto. In quel tempo l’Universo era composto da gas neutro e privo di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno e dell’elio (i cosiddetti “metalli”) e non esistevano ancora le stelle a irradiare luce.

 

Proprio in questo periodo hanno cominciato a formarsi le prime stelle che hanno sintetizzato i primi elementi chimici e, concludendo il loro ciclo evolutivo come supernovae, li hanno disseminati nello spazio circostante. Questi metalli sono andati a mescolarsi al gas da cui si sono poi formate altre stelle delle generazioni successive, in un ciclo continuo che ha portato al progressivo arricchimento di nuovi elementi nell’Universo.

 

Campo stellare con indicata (al centro) la stella SDSS J1035+0641, la più povera di metalli nello studio e una delle stelle più antiche che si conoscano. |

Stelle piccole e anomale. Le stelle scoperte dal team di ricercatori hanno però una caratteristica sorprendente. Pur essendo vecchissime e perfettamente collocabili dal punto di vista temporale nell’epoca oscura, hanno massa più piccola di quella del nostro Sole.

 

Per Piercarlo Bonifacio «la sola esistenza di queste stelle dimostra che il meccanismo di formazione delle primissime generazioni stellari deve necessariamente portare anche all’origine di stelle di piccola massa, come il nostro Sole, e anche più piccole, già nell’epoca oscura, cosa che non ci aspettavamo fosse possibile».

 

Analizzando le abbondanze relative degli altri elementi, emerge invece che le tre stelle possiedono un’elevatissima abbondanza di carbonio accompagnata da una sostanziale assenza di elementi più pesanti. La presenza di un’elevata quantità di carbonio sembra essere un ingrediente fondamentale per agevolare la formazione di stelle di piccola massa, grazie alla sua capacità di raffreddare il gas nella fase di contrazione gravitazionale.

 

Nuovi indizi sulla formazione delle stelle. Lo studio degli elementi chimici in questi oggetti primordiali apre nuovi scenari sulla formazione delle prime stelle. Esse non si sono formate in modo isolato ma a gruppi all’interno di piccoli aloni di gas di protogalassie. Quando le stelle più massicce hanno terminato il loro ciclo evolutivo sono esplose come supernovae, alcune delle quali essendo di bassa energia sono riuscite ad espellere soltanto gli strati più esterni che contenevano gli elementi più leggeri sintetizzati nel corso della vita della stella, come il carbonio e l’ossigeno. Sono proprio questi gli elementi che si osservano in grande abbondanza nelle tre nuove stelle.

 

Mistero risolto quindi? Solo in parte. L’indagine mostra che in queste stelle a mancare non sono solo gli elementi chimici pesanti, ma anche il litio, che è l’elemento più leggero dopo l’elio. Secondo le teorie che descrivono la formazione dell’Universo, nei primi tre minuti dal Big Bang si sarebbe prodotta una frazione significativa di litio, che dunque avrebbe dovuto essere presente anche in queste stelle antichissime. Cosa che invece non trova riscontro. Un ulteriore mistero che rende ancora più affascinanti queste stelle del remoto passato.

 

1 giugno 2015 | Mario Di Martino