RICOSTRUENDO LE ABBONDANZE DI SILICIO, ZOLFO, ARGON E CALCIO

Il codice chimico dell’ammasso di Perseo

Nel cuore della costellazione di Perseo si trova uno degli oggetti più massicci dell’universo conosciuto, un ammasso di galassie e gas. Un team internazionale ha mostrato che le abbondanze di alcuni elementi osservate nell’ammasso possono essere spiegate correggendo in modo sostanziale i modelli standard di evoluzione stellare e di supernova. I risultati sono stati pubblicati in tre articoli su ApJ

     21/05/2026

L’ammasso di Perseo, a circa 240 milioni di anni luce dalla Terra, ospita più di un migliaio di galassie immerse in gas intergalattico estremamente caldo, visibile nei raggi X. Questo gas funziona come una memoria cosmica: conserva le tracce chimiche lasciate da miliardi di esplosioni di supernova avvenute nel corso di miliardi di anni. Analizzando queste tracce attraverso i dati raccolti dal telescopio spaziale giapponese Hitomi, è emersa una discrepanza netta tra osservazioni e teoria: i modelli teorici non riuscivano a riprodurre correttamente i rapporti tra alcuni elementi pesanti prodotti dalle stelle massicce, suggerendo che la fisica delle loro fasi finali fosse stata descritta in modo incompleto. In particolare, i valori osservati di silicio, zolfo, argon e calcio rilevati nell’ammasso non coincidevano con quelli previsti per stelle con massa almeno dieci volte quella del Sole.

Un gruppo di ricerca internazionale, guidato da Shing-Chi Leung, Ken’ichi Nomoto e Aurora Simionescu, ha dunque costruito nuovi modelli di stelle massicce capaci di riprodurre le abbondanze chimiche osservate nell’ammasso di Perseo. I risultati della ricerca sono stati pubblicati – il più recente il mese scorso – in tre articoli su The Astrophysical Journal.

A sinistra, diagramma di Kippenhahn di due modelli da 20 masse solari. Un diagramma di Kippenhahn rappresenta la struttura convettiva e le varie masse a guscio in funzione del tempo t misurato a partire dall’inizio del collasso finale e dell’esplosione. La diversa efficienza del rimescolamento interno modifica la struttura della stella e la produzione di elementi. A destra, grafico con sei elementi (il numero atomico è in ascissa: 14 il silicio, 16 lo zolfo, 18 l’argon, 20 il calcio, 25 il manganese e 28 il nichel) che mostra come – per silicio, zolfo, argon e calcio – i risultati dei nuovi modelli rientrino nei limiti osservati per l’ammasso di Perseo. Al tempo stesso, emerge una sottoproduzione di manganese e una sovraproduzione di nichel, strettamente correlate alle esplosioni di supernove di Tipo Ia. Crediti: Leung et al.

Nei primi due lavori, il gruppo ha mostrato che una diversa efficienza dei moti di convezione altera la struttura della stella massiccia – il “progenitore” della supernova – e quindi le abbondanze chimiche finali, ricostruendo poi l’evoluzione dell’arricchimento chimico nell’arco di oltre dieci miliardi di anni. In tal modo è stato possibile far rientrare i modelli entro i range osservati nei dati dell’ammasso, sia per quanto riguarda la sovrapproduzione di silicio e zolfo, sia per la sottoproduzione di argon e calcio.

Nel terzo studio il team ha invece affrontato un caso estremo: supernove esplose in forma di getti bipolari, legate a stelle in rapida rotazione che dopo l’esplosione danno origine a buchi neri o stelle di neutroni. Le simulazioni indicano che questi eventi possono produrre quantità elevate di zinco, offrendo un possibile segnale osservativo per stimare quanto fossero frequenti nell’universo primordiale.

Schema di una supernova a getto. L’energia depositata dal residuo compatto centrale di una stella massiccia innesca un’esplosione bipolare verso l’esterno. L’esplosione provoca la propagazione dell’onda d’urto sulla superficie, che potrebbe essere all’origine di un lampo di raggi gamma lungo. L’esplosione asferica genera una struttura dell’ejecta e una nucleosintesi estremamente complesse. Crediti: generato utilizzando Google Gemini AI e modificato dal Kavli Ipmu

Il risultato dei tre studi collega due scale apparentemente lontane: l’evoluzione interna delle stelle e la chimica di un intero ammasso di galassie. L’ammasso di Perseo, la cui chimica è segnata dalle esplosioni di supernove, diventa così un laboratorio per verificare quanto i modelli di nucleosintesi siano accurati. I risultati ottenuti dalle simulazioni a partire dai dati di Hitomi migliorano la comprensione di come le stelle massicce arricchiscono il mezzo intergalattico con gli elementi pesanti, e offrono anche un nuovo strumento per leggere la storia chimica della Via Lattea e di altri sistemi cosmici.

Ora gli autori dei tre studi puntano a estendere l’analisi ai futuri dati di Xrism, il successore scientifico di Hitomi per lo studio dei plasmi caldi e degli ammassi di galassie, per testare e affinare i nuovi modelli.

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