I RISULTATI DI SIMULAZIONI AL CALCOLATORE

Superstelle autolesioniste

Nell'universo primordiale, popolato da stelle supermassicce, ce ne sarebbero state alcune che, esplodendo come supernovae, si sarebbero completamente autodistrutte, senza lasciare dietro di sé oggetti compatti come stelle di neutroni o buchi neri. Questi i risultati di uno studio pubblicato sulla rivista The Astrophyisical Journal

Un fotogramma preso dalla simulazione in cui è riprodotta l'esplosione di una supernova originata da una stella 55.000 volte più massiccia del Sole. Crediti: Ken Chen, University of California at Santa Cruz

Un fotogramma preso dalla simulazione dell’esplosione di una supernova originata da una stella 55.000 volte più massiccia del Sole. Crediti: Ken Chen, University of California at Santa Cruz

Qualche anno fa, fece scalpore la scoperta, realizzata con il Very Large Telescope dell’ESO e con il telescopio spaziale Hubble, delle stelle più massicce mai osservate. Mostri cosmici che arrivano a circa 300 volte la massa del nostro Sole. Ma perfino questi giganti impallidirebbero al confronto delle stazze possedute dalle prime stelle che si sono accese nell’Universo, già alcune centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Stelle smisurate in confronto, alcune addirittura con masse di migliaia e perfino decine di migliaia di volte quella del Sole.  Simili giganti si sarebbero formati in regioni altrettanto particolari, ovvero aloni di materia molto grandi, con masse dell’ordine di 100 milioni di masse solari, dove però la presenza di un intenso flusso di radiazione ultravioletta non ha permesso al gas di frammentarsi e dare origine alle stelle, se non a una, supermassiccia, nel suo centro.

La nostra conoscenza di queste stelle primordiali è però ancora troppo vaga e incerta: non è ancora ben chiaro quali fossero le loro proprietà fisiche, quando si sono formate con precisione, quanto è durata la loro era prima di giungere alle stelle e alle galassie che osserviamo oggi. Un gruppo di astrofisici dell’Università della California a Santa Cruz (UCSC) e dell’Università del Minnesota ha ricostruito con l’ausilio di supercomputer l’evoluzione di stelle primordiali molto massicce, scoprendo che oggetti celesti di masse comprese tra 55.000 e 56.000 volte quelle del Sole terminerebbero la loro esistenza come potenti supernovae (e questo era un risultato atteso), ma con una esplosione così violenta da disintegrarle completamente, senza lasciare dietro di sé resti sufficientemente densi e compatti come una stella di neutroni o un buco nero, come accade invece per stelle di masse inferiori.

«Abbiamo scoperto che c’è uno stretto intervallo di masse entro il quale le stelle supermassicce potrebbero esplodere completamente, invece di diventare un buco nero. Nessuno prima d’ora aveva rivelato questo meccanismo». A parlare è Ke-Jung Chen, ricercatore dell’UCSC e primo autore dello studio, i cui risultati sono pubblicati in un articolo sulla rivista The Astrophysical Journal.

Le simulazioni del team di Chen sono state realizzate sfruttando le strutture di supercalcolo del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e del Minnesota Supercomputing Institute ed il codice di evoluzione stellare denominato KEPLER. Questo codice prende in considerazione i processi fisici fondamentali come la combustione nucleare e fenomeni di convezione nella struttura della stella. Per descrivere in modo quanto più accurato il comportamento di astri molto massicci, sono stati anche aggiunti gli effetti di fotodisintegrazione degli elementi chimici, la formazione di coppie formate da elettroni e positroni ed effetti legati alla Relatività, in particolar modo quella Generale, già particolarmente significativi in stelle superiori a 1.000 masse solari.

I ricercatori hanno così scoperto che le stelle primordiali tra 55.000 e 56.000 masse solari brillano per poco meno di due milioni di anni prima di diventare instabili e iniziare a collassare. In questa fase di implosione, la stella comincia a sintetizzare al suo interno, molto rapidamente, elementi chimici come ossigeno, neon, magnesio e silicio partendo dall’elio contenuto nel suo nucleo. Questo processo rilascia più energia di quella che tiene insieme la materia della stella, arrestandone il collasso e provocando una massiccia esplosione: quella di una supernova.

Il risultato, seppur limitato ad un intervallo di masse piuttosto preciso, solleva però un nuovo interrogativo. Le stelle oggetto delle simulazioni sono considerate dagli astrofisici come un potenziale canale per formare, al termine del loro ciclo evolutivo, buchi neri sufficientemente massicci da consentire in tempi rapidi la loro crescita di massa, tanto da riuscire ad avere la stazza per alimentare i quasar che si osservano nell’universo più profondo. Ovvero quelli che hanno impiegato meno di un miliardo di anni per formarsi. Questo studio invece dimostra che, almeno le stelle attorno alle 55.000 masse solari, questo scenario risulta alquanto improbabile.

Per saperne di più:

  • l’articolo The general relativistic instability supernova of a supermassive population III star di Ke-Jung Chen et al., pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal