Ferro e magnesio accanto a un quasar: una possibile traccia di supernova primordiale

Un’esplosione stellare avvenuta nell’universo primordiale potrebbe aver lasciato una traccia chimica attorno a un quasar distante. L’indizio non è un’immagine della stella o della sua esplosione, ma un rapporto tra due elementi misurato nella luce del gas che circonda il quasar ULAS J1342+0928. In un articolo divulgativo datato 28 settembre 2022, il NOIRLab ha spiegato perché questa composizione ha portato a ipotizzare una possibile supernova da instabilità di coppia, un tipo di esplosione associato alle stelle molto massicce della prima generazione cosmica.

L’interpretazione collega un’osservazione spettroscopica a modelli su come le stelle muoiono e producono elementi. Tuttavia, lo stesso resoconto di NOIRLab la presenta come una possibilità che richiede ulteriori osservazioni per essere verificata.

Un quasar dell’universo primordiale

Un quasar è un oggetto molto distante il cui ambiente può essere studiato attraverso la luce che riceviamo. L’oggetto analizzato, ULAS J1342+0928, è tra i quasar conosciuti più antichi e distanti. Secondo NOIRLab, la luce che osserviamo è stata emessa circa 13,1 miliardi di anni fa, meno di 690 milioni di anni dopo il Big Bang.

In questo contesto, cercare segnali delle prime stelle è un modo per indagare come siano comparsi gli elementi chimici. Gli astronomi chiamano stelle di Popolazione III gli astri di questa prima generazione. La fonte spiega che il nome distingue popolazioni stellari ordinate a ritroso nel tempo: la Popolazione III corrisponde alle stelle più antiche.

L’analisi si è basata su uno spettro ottenuto con il telescopio Gemini North, alle Hawaii, usando il suo spettrografo infrarosso GNIRS. Uno spettro separa la luce nelle lunghezze d’onda che la compongono. Alcune caratteristiche di queste lunghezze d’onda permettono di riconoscere quali elementi siano presenti nel materiale osservato. Stimare quanto sia presente ciascun elemento è più complesso: la luminosità di un segnale dipende anche da altri fattori, non solo dall’abbondanza dell’elemento che lo produce.

L’indizio chimico: ferro e magnesio

Per interpretare i segnali, il team ha applicato un metodo sviluppato nel 2017 da Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima per convertire la luminosità delle caratteristiche spettrali in stime delle abbondanze. Applicandolo allo spettro del quasar, ha trovato un rapporto ferro/magnesio circa dieci volte superiore a quello solare. In altre parole, la quantità relativa di magnesio rispetto al ferro era insolitamente bassa.

Il confronto è importante perché, secondo la spiegazione diffusa da NOIRLab, i modelli teorici di una supernova da instabilità di coppia prevedono un basso rapporto magnesio/ferro. Per questo la composizione del gas attorno al quasar è risultata suggestiva: potrebbe conservare materiale arricchito da un’esplosione di questo tipo.

La proposta non si basava soltanto sul rapporto chimico. Il quasar si è formato molto presto nella storia dell’universo, quando ci sarebbe stato meno tempo perché il materiale proveniente da esplosioni diverse si mescolasse. La combinazione di questa antichità e del segnale chimico ha portato a ipotizzare che il gas circostante possa contenere resti dell’esplosione di una stella di Popolazione III.

Che cosa significa una supernova da instabilità di coppia

Secondo NOIRLab, questo tipo di supernova potrebbe rappresentare la fine naturale di stelle con masse comprese tra 150 e 300 volte quella del Sole. Il meccanismo descritto inizia nel nucleo stellare: i fotoni si trasformano in coppie di elettroni e positroni, particelle di materia e antimateria. Questa trasformazione riduce l’energia che sostiene la stella contro la propria gravità. La gravità può quindi prevalere, provocare il collasso e innescare l’esplosione.

Il team ha confrontato il segnale del quasar con modelli di queste esplosioni. Yoshii ha osservato che una supernova originata da una stella di circa 300 masse solari produceva un rapporto magnesio/ferro coerente con il basso valore ricavato per il quasar. Questa corrispondenza avvalorava l’interpretazione, ma non identificava da sola un’esplosione osservata direttamente: la prova descritta è la composizione del materiale che circonda il quasar.

L’ipotesi si collega anche a una questione più ampia: come si siano formati gli elementi che oggi si trovano nelle stelle e in altri oggetti cosmici. Se l’esplosione di una stella primordiale ha arricchito il gas vicino, la sua composizione potrebbe conservare informazioni su una fase molto precoce dell’evoluzione stellare. In questo caso, tale possibilità viene dedotta dalle abbondanze e dal contesto antico del quasar.

Un’interpretazione che richiede ancora verifiche

Yoshii e i suoi collaboratori hanno preso in considerazione altre spiegazioni e hanno concluso che una supernova da instabilità di coppia originata da una stella di Popolazione III fosse l’interpretazione più probabile. Tuttavia, il testo di NOIRLab non presenta questa lettura come una conferma definitiva: gli autori hanno indicato che servono molte altre osservazioni simili per verificare con certezza il risultato.

La cautela è importante anche per il modo in cui si ottiene l’indizio. Le abbondanze vengono stimate dalla luminosità delle caratteristiche spettrali, che dipende da fattori ulteriori rispetto alla quantità di ciascun elemento. Il ragionamento procede quindi da un segnale nella luce a un rapporto chimico e, successivamente, a un confronto con modelli di esplosioni stellari. Ogni passaggio sostiene un’interpretazione, non un’osservazione diretta della stella che sarebbe esplosa.

Il risultato messo in evidenza da NOIRLab è quindi una possibile traccia chimica di una supernova primordiale nell’ambiente di ULAS J1342+0928. Il suo interesse consiste nell’offrire un modo per cercare i resti delle stelle di prima generazione in oggetti molto antichi. La conferma, secondo gli stessi ricercatori citati dalla fonte, dipende dall’acquisizione di ulteriori osservazioni comparabili.

Fonte delle informazioni: NOIRLab, “A glimpse of the first stars that lit up the Universe?”, 28 settembre 2022.