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"Superstelle" primordiali e Buchi Neri massivi

Nuovi modelli al calcolatore mostrano come la prima generazione stelle di grandissima massa possano essere esplose come "ipernove" senza lasciare dietro di sé alcun residuo collassato.

Le stelle più vecchie che osserviamo nella nostra galassia e in quelle circostanti, indicate come "Popolazione 2", sono molto povere di "metalli" (elementi più pesanti di Idrogeno e Elio) ma appartengono comunque ad una generazione successiva a quella delle prime stelle, nate qualche centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang e formate inizialmente solo da Idrogeno, Elio e tracce di Litio. Queste stelle di "Popolazione 3" dovevano essere molto massicce e si sono quindi estinte rapidamente, esplodendo come supernove e rilasciando le prime quantità di elementi pesanti osservati nelle stelle di generazioni successive; inoltre, alcuni propongono che possano avere avuto un ruolo importante anche nella creazione dei "semi" di buchi neri di grande massa, quelli che oggi troviamo al centro di molte galassie.

Formazione stellare - ricostruzione

Ricostruzione artistica di una regione di formazione stellare nell'universo primigenio

Queste ipotesi si basano sulla formazione di stelle con masse spaventose, dell'ordine di decine di migliaia di masse solari! Oggi simili mostri non esistono e si ritiene che il limite per la formazione di una stella sia dell'ordine di circa 150 masse solari1, tuttavia le differenti condizioni nell'universo appena nato (temperatura elevata e diversa composizione) consentivano probabilmente di andare ben oltre questo limite.

Nei modelli sviluppati sinora, le "superstelle" al di sopra delle 250 masse solari dovrebbero terminare la loro vita in un collasso gravitazionale senza esplosione finale, a causa di un processo di "fotodisgregazione" (l'inverso di una fusione nucleare innescato dai fotoni altamente energetici); questo lascerebbe un buco nero di grande massa che, tramite successivi incontri e fusioni, darebbe luogo ai buchi neri super-massicci di milioni di masse solari.

Adesso, invece, un gruppo di ricercatori dell' UCSC e dell’Università del Minnesota ha usato un supercomputer per simulare l’evoluzione di stelle primordiali, tenendo conto del contributo relativistico dei fotoni sul campo gravitazionale del nucleo stellare. E' risultato che, almeno in un ristretto intervallo di masse (tra 55 e 56 migliaia volte quelle del Sole), le "super-stelle" esploderebbero come potenti "iper-nove", 10mila volte più potenti delle normali supernove, disintegrandosi completamente e senza lasciare un corpo collassato. L'articolo in questione (di cui si riporta l' "abstract" di seguito) si conclude con l'auspicio che le future missioni spaziali (in particolare il telescopio europeo Euclid) possano gettare luce sull'argomento osservando queste remotissime e apocalittiche esplosioni.

Abstract (The General Relativistic Instability Supernova of a Supermassive Population III Star - Ke-Jung Chen et al., 2014 ApJ790 162)

The formation of supermassive Population III stars with masses gsim10,000 M  in primeval galaxies in strong ultraviolet backgrounds at z ~ 15 may be the most viable pathway to the formation of supermassive black holes by z ~ 7. Most of these stars are expected to live for short times and then directly collapse to black holes, with little or no mass loss over their lives. However, we have now discovered that non-rotating primordial stars with masses close to 55,000 M  can instead die as highly energetic thermonuclear supernovae powered by explosive helium burning, releasing up to 1055 erg, or about 10,000 times the energy of a Type Ia supernova. The explosion is triggered by the general relativistic contribution of thermal photons to gravity in the core of the star, which causes the core to contract and explosively burn. The energy release completely unbinds the star, leaving no compact remnant, and about half of the mass of the star is ejected into the early cosmos in the form of heavy elements. The explosion would be visible in the near infrared at z lsim 20 to Euclid and the Wide-Field Infrared Survey Telescope, perhaps signaling the birth of supermassive black hole seeds and the first quasars.

Note

1: in realtà, nel 2010 dall'ESO è stato reso noto che la massa di R136a1, una stella all'interno della Grande Nube di Magellano, dovrebbe essere vicina alle 300 masse solari: http://www.eso.org/public/italy/news/eso1030/

Riferimenti

http://iopscience.iop.org/0004-637X/790/2/162
http://it.wikipedia.org/wiki/Popolazioni_stellari#Popolazione_III

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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