Diverse centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, le primissime stelle brillarono nell'universo come accumuli massicci e luminosi di idrogeno ed elio. All'interno dei nuclei di queste prime stelle, estremo, le reazioni termonucleari hanno forgiato i primi elementi più pesanti, compreso il carbonio, ferro da stiro, e zinco.

Queste prime stelle erano probabilmente immense, palle di fuoco di breve durata, e gli scienziati hanno ipotizzato che siano esplose come supernove sferiche simili.

Ma ora gli astronomi del MIT e altrove hanno scoperto che queste prime stelle potrebbero essere esplose in un modo più potente, moda asimmetrica, emettendo getti abbastanza violenti da espellere elementi pesanti nelle galassie vicine. Questi elementi alla fine servirono come semi per la seconda generazione di stelle, alcuni dei quali possono essere osservati ancora oggi.

In un articolo pubblicato oggi su Giornale Astrofisico , i ricercatori riportano una forte abbondanza di zinco in HE 1327-2326, un antico, stella sopravvissuta che fa parte della seconda generazione di stelle dell'universo. Credono che la stella possa aver acquisito una quantità così grande di zinco solo dopo che un'esplosione asimmetrica di una delle primissime stelle ha arricchito la sua nube di gas di nascita.

"Quando una stella esplode, una parte di quella stella viene risucchiata in un buco nero come un aspirapolvere, "dice Anna Frebel, professore associato di fisica al MIT e membro del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Solo quando hai un qualche tipo di meccanismo, come un getto che può strappare materiale, puoi osservare quel materiale più tardi in una stella di prossima generazione. E crediamo che sia esattamente quello che sarebbe potuto succedere qui".

"Questa è la prima prova osservativa che una tale supernova asimmetrica ha avuto luogo nell'universo primordiale, " aggiunge il postdoc del MIT Rana Ezzeddine, l'autore principale dello studio. "Questo cambia la nostra comprensione di come sono esplose le prime stelle".

"Una spruzzata di elementi"

HE 1327-2326 è stato scoperto da Frebel nel 2005. All'epoca, la stella era la stella più povera di metalli mai osservata, il che significa che aveva concentrazioni estremamente basse di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, un'indicazione che si è formato come parte della seconda generazione di stelle, in un momento in cui la maggior parte del contenuto di elementi pesanti dell'universo doveva ancora essere forgiato.

"Le prime stelle erano così massicce che dovettero esplodere quasi immediatamente, " dice Frebel. "Le stelle più piccole che si sono formate come seconda generazione sono ancora disponibili oggi, e conservano il primo materiale lasciato da queste prime stelle. La nostra stella ha solo una spolverata di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, quindi sappiamo che deve essersi formato come parte della seconda generazione di stelle."

Nel maggio del 2016, il team è stato in grado di osservare la stella che orbita vicino alla Terra, solo 5, 000 anni luce di distanza. I ricercatori hanno guadagnato tempo sul telescopio spaziale Hubble della NASA per due settimane, e ha registrato la luce delle stelle su più orbite. Hanno usato uno strumento a bordo del telescopio, lo spettrografo delle origini cosmiche, misurare le minuscole abbondanze dei vari elementi all'interno della stella.

Lo spettrografo è progettato con alta precisione per rilevare la debole luce ultravioletta. Alcune di queste lunghezze d'onda sono assorbite da determinati elementi, come lo zinco. I ricercatori hanno fatto un elenco di elementi pesanti che sospettavano potessero essere all'interno di una stella così antica, che avevano intenzione di cercare nei dati UV, compreso il silicio, ferro da stiro, fosforo, e zinco.

"Ricordo di aver ricevuto i dati, e vedendo saltar fuori questa linea di zinco, e non potevamo crederci, quindi abbiamo rifatto l'analisi ancora e ancora, " Ezzeddine ricorda. "Abbiamo scoperto che, non importa come l'abbiamo misurato, abbiamo ottenuto questa abbondanza di zinco davvero forte."

Si apre un canale stellare

Frebel ed Ezzeddine hanno poi contattato i loro collaboratori in Giappone, specializzati nello sviluppo di simulazioni di supernovae e delle stelle secondarie che si formano in seguito. I ricercatori hanno eseguito oltre 10, 000 simulazioni di supernovae, ciascuno con diverse energie di esplosione, configurazioni, e altri parametri. Hanno scoperto che mentre la maggior parte delle simulazioni di supernova sferiche erano in grado di produrre una stella secondaria con le composizioni elementari che i ricercatori hanno osservato in HE 1327-2326, nessuno di loro riproduceva il segnale di zinco.

Come risulta, l'unica simulazione che potrebbe spiegare il trucco della star, compresa la sua elevata abbondanza di zinco, era uno di un asferico, supernova che emette un getto di una prima stella. Una tale supernova sarebbe stata estremamente esplosiva, con una potenza equivalente a circa un nonilion di volte (cioè 10 con 30 zeri dopo) quella di una bomba all'idrogeno.

"Abbiamo scoperto che questa prima supernova era molto più energetica di quanto si pensasse prima, da cinque a dieci volte di più, " dice Ezzeddine. "In effetti, la precedente idea dell'esistenza di una supernova più debole per spiegare le stelle di seconda generazione potrebbe presto dover essere ritirata".

I risultati del team potrebbero cambiare la comprensione degli scienziati sulla reionizzazione, un periodo cruciale durante il quale il gas nell'universo si è trasformato da completamente neutro, a ionizzato, uno stato che ha permesso alle galassie di prendere forma.

"La gente pensava dalle prime osservazioni che le prime stelle non fossero così luminose o energiche, e così quando esplosero, non parteciperebbero molto alla reionizzazione dell'universo, " Dice Frebel. "In un certo senso stiamo rettificando questa immagine e mostrando, forse le prime stelle hanno avuto abbastanza grinta quando sono esplose, e forse ora sono forti contendenti per contribuire alla reionizzazione, e per aver scatenato il caos nelle loro piccole galassie nane."

Queste prime supernove avrebbero anche potuto essere abbastanza potenti da sparare elementi pesanti nelle vicine "galassie vergini" che non avevano ancora formato alcuna stella propria.

"Una volta che hai degli elementi pesanti in un gas di idrogeno ed elio, hai un tempo molto più facile formare stelle, soprattutto i più piccoli, " dice Frebel. "L'ipotesi di lavoro è, forse stelle di seconda generazione di questo tipo si sono formate in questi sistemi vergini inquinati, e non nello stesso sistema dell'esplosione della supernova stessa, che è sempre quello che avevamo supposto, senza pensare in altro modo. Quindi questo sta aprendo un nuovo canale per la formazione stellare precoce".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.