Le stelle di un universo giovane in cui la tavola periodica era di soli 3 elementi

Sul libro della Genesi leggiamo

E la luce fu. 

Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre

 e chiamò la luce giorno e le tenebre notte

NON spaventatevi! Sono sempre io e non ho appena visto la luce come San Paolo o i Blues Brothers.

Più prosaicamente, io mi rifaccio ai testi di fisica a cominciare dal seminale "I primi 3 minuti" di Steven Weinberg (e molti altri, vedi lista a fondo pagina) in cui si insegna che, per "vedere" i fotoni, bisogna attendere il periodo della Ricombinazione in cui si passa da un universo opaco ad uno trasparente seppure buio. 

Crediti: Osservatorio astronomico nazionale del Giappone (Naoj)

Nello specifico l'universo divenne trasparente alla luce (cioè ai fotoni emessi agli albori) circa 380 mila anni dopo il Big Bang (BB) e da allora è rimasto trasparente, almeno alle alte lunghezze d'onda. Bisogna però attendere una età di circa 500 milioni di anni (My) perché l'universo diventi pienamente trasparente alla luce delle neonate stelle (la datazione delle prime stelle è a 370 My post BB). 

Distinguiamo quindi tra una fase in cui l'universo seppur trasparente era ancora "buio", da cui la definizione di Dark Ages, in cui gli unici fotoni vaganti erano quelli della Photon Epoc (emessi tra 10" e 370 mila anni dopo il Big Bang) e l'epoca successiva alla Ricombinazione/Decoupling in cui prima gli elettroni e protoni liberi si uniscono a formare atomi di idrogeno e poi vengono emessi (dissociati) i fotoni che daranno origine alla nota radiazione cosmica di fondo.
La Dark Age termina circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang  quando l'universo ha oramai un aspetto a galassie simile all'attuale (vedi per approfondimenti --> "L'epoca della reionizzazione").

Da questa premessa si impara poi che per arrivare ad un universo "maturo" in cui esistono altri atomi oltre all'idrogeno delle proto-stelle sono stati necessari innumerevoli cicli stellari, cicli in cui alla nucleosintesi stellare sono seguite supernova (o altri eventi iper-energetici). Cicli questi necessari per formare atomi più pesanti del ferro (il massimo creabile da un processo di fusione nucleare spontaneo ), senza i quali la vita, nemmeno a livello proto-cellulare, sarebbe possibile.

È a questa finestra temporale, di un universo primordiale in cui esistevano solo 3 atomi, che è indirizzato lo studio di un team dell'INAF di Bologna il cui ultimo lavoro è stato pubblicato sul Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

In estrema sintesi i ricercatori sono riusciti ad identificare sorgenti luminose appartenenti (sembra) alla Popolazione III cioè la prima generazione di stelle, prive di atomi "pesanti". Un tempo dell'universo in cui la tavola periodica era fatta solo da 3 atomi sorti "appena" dopo il Big Bang, cioè idrogeno, elio e forse tracce di litio.

L'osservazione è stata fatta grazie al Very Large Telescope (Vlt) puntato in direzione della costellazione di Eridano. L'immagine catturata è quella di una dozzina di flebili punti luminosi (circa 4x10⁹ volte più flebili della più fioca delle stelle visibili ad occhio nudo in condizioni atmosferiche perfette)

Nemmeno il VLT da solo avrebbe potuto osservare queste sorgenti senza l'ausilio di una "lente di ingrandimento" gravitazionale (per approfondimenti --> QUI), fornita dall'ammasso Macs J0416.

Guardare così lontano nello spazio equivale a guardare indietro nel tempo … fino all'epoca della Dark Age.

Si nota l'effetto lente creato da Macs J0416
(credit: ESA/Hubble)

Una volta delineata la regione d’universo amplificata da Macs J0416 i ricercatori l'hanno analizzata con lo spettrografo a campo integrale Muse per comprenderne la composizione chimica, partendo dall'elemento più semplice, l'idrogeno.

Ed è proprio dal semplice idrogeno che è arrivato l'indizio che si trattava di stelle di prima generazione. Il segnale rilevato dallo spettrometro non era solo la seppur indicativa banda nota come Lyman-alpha (originante dalla transizione dell'elettrone nell'idrogeno con emissione luce a 122 nm) ma era anche molto più forte dell'atteso.

Questo tipo di radiazione è tipico di galassie giovani (2-6 milioni di anni) e di bassa massa (10⁹ -10¹⁰ masse solari) e come tale usato come indicatore di galassie primordiali.

L'emissione Lyman-alpha era talmente forte che poteva essere spiegata solo con stelle speciali, di "prima generazione" (Pop III stars), predette ma fino ad oggi mai osservate.

Queste stelle si formano in un ambiente "vergine" arricchito dalla nucleosintesi primordiale degli elementi, in cui esiste solo idrogeno, elio e tracce di litio. Possono raggiungere una massa mille volte quella del Sole ed essere venti volte più calde, un insieme di caratteristiche che le rende di breve vita

Rappresentazione artistica di un ammasso composto da stelle primordiali, appartenenti alla cosiddetta Popolazione III – Crediti: National Astronomical Observatory of Japan via INAF

Per avere la conferma definitiva bisognerà affidarsi al futuro telescopio ELT da 39 metri o, con un poco di fortuna, usare l'attuale VLT sperando di rilevare una seconda riga chiave dell’elio come caratteristica inequivocabile della loro presenza.

Fonti
- Candidate Population III stellar complex at z=6.629 in the MUSE Deep Lensed Field
E. Vanzella et al, (2020) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

- When Did The Universe Become Transparent To Light?
Ethan Siegel

***

Per chi volesse saperne di più su Big Bang ... e dintorni, questi sono i miei libri preferiti sul tema (alcuni adatti a qualunque lettore interessato al tema, altri più specialistici con molta matematica come quelli di Penrose). Il link vi manda alla pagina Amazon. Usate le recensioni come guida per il livello adatto a voi

Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo (di Stephen Hawking)

Prima del Big Bang - Storia completa dell’universo (di Martin Bojowald)

Cosmicomic. Gli uomini che scoprirono il big bang (di Amedeo Balbi)

Osservare l’universo… oltre le stelle, sino al Big Bang (di Paolo De Bernardis)

Astrofisica per chi va di fretta (di Neil DeGrasse Tyson)

Il libro dell'astronomia. Grandi idee spiegate in modo semplice (di R.Sorgo)

Universo senza fine. Oltre il big bang (di Paul J. Steinhardt)

Il libro della fisica (di Clifford A. Pickover)

La natura dello spazio e del tempo (di Stephen Hawking, Roger Penrose)

Dal Big Bang all’eternità -  I cicli temporali che danno forma all'universo (di Roger Penrose)

Buchi neri, «wormholes» e macchine del tempo (di Jim Al-Khalili)

Il fascino oscuro dell'inflazione. Alla scoperta della storia dell'Universo (di Pietro Fré)

Il dogma del big bang (di Valter Dell'Oca)

Cosmology for the Curious (di Delia Perlov)

How to Build a Universe: From the Big Bang to the End of the Universe (di Ben Gilliland)

Introduction to the Theory of the Early Universe: Hot Big Bang Theory (di VA. Rubakov, DS. Gorbunov)

Before Time Began: The Big Bang and the Emerging Universe (di Helmut Satz)