Nuove simulazioni hanno mostrato come le stelle di Popolazione III fossero meno massicce e modellate da turbolenze.
All’inizio, dopo il Big Bang, l’Universo era un luogo freddo, buio e desolato, dove idrogeno e un po’ di elio vagavano senza meta. Solo quando si formarono le prime stelle negli aloni di materia oscura, le cose iniziarono a muoversi. Queste prime stelle sono chiamate stelle di Popolazione III, e gli astrofisici ritengono che tendessero ad essere stelle massicce, a bassa metallicità, estremamente calde e luminose, formatesi in ambienti tranquilli. Ma nuove ricerche hanno messo in discussione questa immagine. Invece di un ambiente calmo che favoriva la formazione di massicce, l’ambiente iniziale di formazione stellare potrebbe essere stato turbolento. E questo significa che le stelle della Popolazione III potrebbero non essere state così massicce.
Le prime stelle
La prima generazione di stelle, nota come stelle di Popolazione III (Pop III), si è formata da gas primordiale incontaminato composto principalmente da idrogeno ed elio. Essendo le prime stelle, il gas non conteneva ancora metalli, che contribuiscono a raffreddare il gas, permettendo così la formazione delle stelle. L’idrogeno molecolare può raffreddare il gas, ma non con la stessa efficacia. Questo influisce sulla cosiddetta massa di Jeans, una soglia di massa all’interno di una nube di gas. Il gas deve raggiungere una certa massa prima che la nube possa collassare e formare una stella, nonostante la pressione radiativa del gas. La mancanza di metalli nel gas primordiale ha modificato questa soglia, consentendo la formazione di stelle più massicce.
A differenza della formazione stellare odierna, la mancanza di raffreddamento dovuta alle righe metalliche negli ambienti primordiali determina masse di Jeans significativamente più elevate, portando alla formazione di stelle più massicce. I primi studi teorici suggeriscono che le stelle di Popolazione III si siano formate con masse comprese tra 40 e 500 masse solari, superando di gran lunga le masse stellari tipiche osservate nell’Universo locale.
Negli ultimi anni, altri ricercatori hanno utilizzato simulazioni per esplorare le masse di Popolazione III. Hanno scoperto che le stelle di Popolazione III di massa inferiore erano più numerose di quanto si pensasse. Nel complesso, questi studi indicano che la distribuzione di massa delle protostelle di Popolazione III nell’Universo primordiale si estende approssimativamente tra 10⁻³ e 10² M⊙, aggiungendo che fattori come la turbolenza e il feedback modificano i risultati.
Verifiche attraverso le simulazioni
Per verificare questa comprensione delle stelle di Popolazione III, il team si è rivolto a Illustris TNG, una serie di simulazioni idrodinamiche in corso sulla formazione delle galassie, eseguite su un supercomputer. In questo lavoro, i ricercatori hanno modificato le simulazioni per raggiungere dimensioni delle particelle più piccole. Questo ha permesso di risolvere l’accrescimento di gas durante la fase iniziale di formazione dei mini-aloni e di catturare l’emergere di forti flussi turbolenti.
I ricercatori hanno simulato 15 diversi minialoni primordiali, le sacche ultra-dense di materia oscura nell’Universo primordiale dove si sono formate le prime stelle. Le simulazioni sono iniziate quando l’Universo aveva solo 300 milioni di anni. Avendo aumentato la risoluzione di Illustris TNG di un fattore 100.000, sono stati in grado di tracciare il movimento del gas su una scala inferiore a un anno luce. La procedura affina significativamente la risoluzione di massa delle particelle di gas, consentendo di risolvere i processi turbolenti di accrescimento e frammentazione del gas che si verificano durante la formazione del minialone.
I ricercatori hanno così scoperto che la turbolenza gioca un ruolo più importante nella formazione delle stelle di Pop III di quanto si pensasse. La turbolenza si crea naturalmente quando il gas fluisce nel minialone. Il gas entra attraverso flussi multipli e, quando questi si scontrano al centro del minialone, generano turbolenza. La velocità del gas varia da 1,8 a 4,2 volte la velocità del suono mentre ruota caoticamente all’interno del minialone, con aloni più grandi che presentano velocità maggiori.
Il ruolo delle turbolenze
Invece di collassare uniformemente in un’unica stella massiccia, la turbolenza frammenta il gas in molteplici grumi all’interno del minialone. Nelle simulazioni, alcuni di questi grumi avevano decine di masse solari e altri solo poche. Quindi, invece di avere le prime stelle di Popolazione III come un monolite di stelle massicce, c’era molta più varietà nelle loro masse, che variavano da 2,6 M⊙ a 66,5 M⊙, superando le corrispondenti masse di Jeans e collassando presto per formare le prime stelle.
I risultati suggeriscono che la turbolenza supersonica è una caratteristica comune dei minialoni e gioca un ruolo chiave nella produzione di nubi grumose di formazione stellare, con importanti implicazioni per la funzione di massa iniziale delle prime. Questo può spiegare un enigma astronomico riguardante le prime stelle: se fossero state uniformemente massicce come si pensava in precedenza, molte di esse sarebbero esplose come supernove, disperdendo metalli nel mezzo interstellare, che sarebbero poi stati assorbiti dalla successiva generazione di stelle.
Tuttavia, molte stelle della Via Lattea, formatesi dopo le stelle di Popolazione III, conservano l’impronta chimica delle loro antenate di Popolazione III, e la loro bassa metallicità suggerisce che le stelle di Popolazione III non fossero così massicce come si credeva. E la turbolenza in queste simulazioni può spiegare tale discrepanza. Invece di collassare in un ammasso sferico e in una stella massiccia nei minialoni, il gas forma filamenti più piccoli che collassano in stelle meno massicce. Se, a causa di questa turbolenza, non ci sono così tante stelle di Popolazione III massicce, allora i loro discendenti avranno una metallicità inferiore a quella ipotizzata.
L’influenza sulle galassie
Anche la massa delle prime stelle influenza ciò che si forma in seguito. Quelle più grandi hanno un feedback stellare più potente, che riscalda il gas circostante e inibisce l’ulteriore formazione stellare. In questo modo, le stelle di Popolazione III hanno contribuito a plasmare le galassie in cui si sono formate.
Formazione di stelle di Popolazione III
Le proprietà fisiche della turbolenza primordiale rivelate dalle nuove simulazioni offrono spunti cruciali per la risoluzione del problema di lunga data della formazione stellare di Popolazione III. I nuovi risultati mostrano che le masse di grumi prodotte dalla turbolenza supersonica influenzano significativamente la scala di massa caratteristica delle prime stelle e il feedback stellare ad esse associato, che a sua volta modella in modo determinante le proprietà fisiche delle prime galassie.
Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su Universe Today
- Leggi il paper scientifico intitolato “Turbulence in Primordial Dark Matter Halos and Its Impact on the First Star Formation” pubblicato su The Astrophysical Journal
