Dopotutto le prime stelle non erano supergiganti? – La perturbazione gravitazionale può spiegare la discrepanza tra osservazioni e teoria

Contraddizione tra osservazione e teoria: le prime stelle nell'universo erano giganti pesanti, ma non erano così massicce come ipotizzavano i modelli precedenti. Ciò è dimostrato da nuove simulazioni, in cui la perturbazione gravitazionale divide il gas nella culla stellare primordiale. Ciò ha impedito la formazione di stelle molto massicce fino a 1.000 masse solari, il che spiega perché finora non sono state trovate tracce di stelle così giganti.

Quando le prime stelle si illuminarono nell'universo più di 13,5 miliardi di anni fa, cambiarono il nostro mondo per sempre. Perché le stelle del terzo gruppo posero fine ai “Secoli bui” e crearono i primi elementi pesanti nell’universo. La loro radiazione portò anche alla reionizzazione dei gas primordiali. La saggezza convenzionale ritiene che questa prima generazione di stelle si sia formata nei cosiddetti aloni, grumi di idrogeno condensato ed elio gassoso accumulati da accrescimenti locali di materia oscura.

Contraddizioni nelle prime stelle

Ma come erano queste prime stelle? Quanto pesavano? Quest'ultimo è cruciale per l'età e il tipo di supernova della stella. Precedenti simulazioni di modelli indicavano che le stelle del Gruppo III erano veri giganti, con un peso compreso tra 100 e 1.000 masse solari. Tuttavia, i dati osservativi contraddicono questo.

“L'osservazione diretta delle stelle PopIII supera di gran lunga le capacità anche dei nostri grandi telescopi”, spiegano Cheng Yao Tang e Qi-Jong Chen dell'Academia Sinica di Taiwan. Ma esistono prove indirette che gli astronomi possano estrarre i rapporti degli elementi per le successive generazioni stellari. Le proporzioni elementari di queste stelle molto antiche e povere di metalli indicano che le prime stelle avevano pesi compresi tra dodici e 60 masse solari. Come si spiega questa contraddizione?

La colpa è del disordine?

Per rispondere a questa domanda, Tang e Chen hanno testato una possibile spiegazione utilizzando nuovi modelli di simulazione ad alta risoluzione. “Ci concentriamo sulla frammentazione delle nubi primordiali causata dalla turbolenza”, spiegano gli astronomi. “Crediamo che i flussi turbolenti al centro di questi piccoli aloni potrebbero essere il pezzo mancante del puzzle che spiega la discrepanza tra osservazione e simulazione”.

Tale turbolenza può allargare i centri densi delle nubi di gas e quindi impedire o ritardare il completo collasso della nube. Invece di una stella gigante e massiccia, questo crea diversi densi ammassi di gas che collassano in diverse stelle più piccole. Per condurre la simulazione, i ricercatori hanno utilizzato un modello 3D in cui hanno tracciato l’evoluzione di due nubi di gas con masse diverse, costituite dal 76% di idrogeno e dal 24% di elio.

Più blocchi invece di una gigantesca palla di gas

“Nel nostro scenario, il gas primordiale viene attratto dalla gravità al centro di questi piccoli aloni, e questo processo crea quindi un disturbo gravitazionale”, hanno spiegato gli astronomi. Variando la velocità e la forza di questi flussi, sono stati in grado di osservare cosa accadeva dopo che il gas veniva raffreddato e compresso.

Infatti, se le culle stellari primordiali vengono disturbate da perturbazioni gravitazionali più forti, ciò impedisce il completo collasso delle nubi di gas. “I nostri risultati mostrano che la turbolenza con alti numeri di Mach e pressione divide prima le nuvole in diversi grumi, ciascuno con centri densi di circa 23-175 masse solari”, dicono i ricercatori. Poi, quando queste masse raggiungono una densità critica, collassano sotto la loro stessa gravità.

Stelle giganti, ma non giganti estremi

Ciò significa che le prime stelle avrebbero potuto avere anche una massa molto inferiore a quanto ipotizzato in base ai modelli precedenti. Invece di una stella supergigante con una massa fino a 1.000 masse solari, nelle nubi di gas divise dalla turbolenza si sono formate diverse stelle con masse comprese tra 8 e 59 masse solari. “Questo intervallo di massa corrisponde approssimativamente alle osservazioni basate su stelle estremamente povere di metalli”, affermano Tang e Chen.

Secondo gli astronomi, il loro scenario fornisce una spiegazione astrofisicamente plausibile del motivo per cui i dati di osservazione indiretta trovano più prove di stelle grandi, ma non massicce, nel terzo ammasso. Di conseguenza, i disturbi in gran parte delle culle stellari primordiali avrebbero potuto impedire la formazione di stelle giganti estreme. Solo in alcuni casi sono comparsi tali giganti. (Avvisi mensili della Royal Astronomical Society, 2024; doi: 10.1093/mnras/stae764)

Fonte: Academia Sinica, Istituto di Astronomia e Astrofisica (ASIAA), Taiwan

5 aprile 2024 – Nadia Podbrigar