I ricercatori hanno scoperto prove chimiche per una supernova di instabilità di coppia dalla prima stella molto massiccia

7 giugno 2023

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da Accademia delle Scienze della Cina

Le prime stelle hanno illuminato l'universo in occasione dell'Alba cosmica e hanno posto fine alle "età oscure" cosmiche che seguirono il Big Bang. Tuttavia, la distribuzione della loro massa è uno dei grandi misteri irrisolti del cosmo.

Le simulazioni numeriche sulla formazione delle prime stelle stimano che la massa delle prime stelle abbia raggiunto diverse centinaia di masse solari. Tra di esse, le prime stelle con masse comprese tra 140 e 260 masse solari sono diventate supernovae a instabilità di coppia (PISNe). Le PISNe sono molto diverse dalle supernovae ordinarie (cioè, le supernovae di Tipo II e di Tipo Ia) e avrebbero impresso una firma chimica unica nell'atmosfera delle stelle della prossima generazione. Tuttavia, tale firma non è stata trovata.

Uno nuovo studio, guidato dal Prof. Zhao Gang degli Osservatori astronomici nazionali dell'Accademia delle scienze della Cina (NAOC), ha identificato una stella chimicamente peculiare (LAMOST J1010+2358) nell'alone galattico come evidenza chiara dell'esistenza di PISNe derivanti dalle prime stelle molto massicce nell'universo primordiale, basandosi sulla survey Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) e sull'osservazione di follow-up di spettri ad alta risoluzione dal telescopio Subaru. È stato confermato che questa stella si è formata nella nube di gas dominata dalle distribuzioni di una PISN con 260 masse solari.

Il team include anche i ricercatori degli osservatori di Yunnan dell'Accademia delle scienze della Cina, dell'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone e dell'Università di Monash, in Australia.

Questo studio è stato pubblicato online su Nature.

Il team di ricerca ha effettuato l'osservazione di follow-up di spettri ad alta risoluzione per J1010+2358 con il telescopio Subaru e ha derivato le abbondanze per più di dieci elementi. La caratteristica più significativa di questa stella è la sua estremamente bassa abbondanza di sodio e cobalto. Il rapporto sodio-ferro è inferiore a 1/100 del valore solare. Questa stella presenta anche una varianza di abbondanza molto grande tra gli elementi con carica dispari e pari, come sodio/magnesio e cobalto/nichel.

"La strana varianza dispari e pari, insieme alla carenza di sodio e α-elementi in questa stella, sono coerenti con la previsione di PISN primordiale dalle prime stelle di prima generazione con 260 masse solari", ha detto il dottor Xing Qianfan, primo autore dello studio.

La scoperta di J1010+2358 è una prova diretta dell'instabilità idrodinamica dovuta alla produzione di coppie di elettroni-positroni nella teoria dell'evoluzione delle stelle molto massicce. La creazione di coppie di elettroni-positroni riduce la pressione termica all'interno del nucleo di una stella molto massiccia e conduce a un collasso parziale.

"Fornisce un indizio essenziale per limitare la funzione di massa iniziale nell'universo primordiale", ha detto il prof. Zhao Gang, autore corrispondente dello studio. "Prima di questo studio, non è stata trovata alcuna evidenza di supernovae di tali stelle massicce nelle stelle povere di metalli."

Inoltre, l'abbondanza di ferro di LAMOST J1010+2358 ([Fe / H] = -2,42) è molto più alta delle stelle più povere di metalli dell'alone galattico, suggerendo che le stelle della seconda generazione formatesi nel gas dominato dalle PISN potrebbero essere più ricche di metalli di quanto previsto.

"Uno dei santi graal nella ricerca di stelle povere di metalli è trovare evidenze di queste prime PISN", ha detto il prof. Avi Loeb, ex direttore del Dipartimento di Astronomia dell'Università di Harvard.

Il prof. Timothy Beers, titolare della cattedra di astrofisica della Notre Dame University, ha commentato i risultati dicendo che "questo articolo presenta, a mia conoscenza, la prima associazione definitiva di una stella dell'alone galattico con un modello di abbondanza originario da una PISN."

Informazioni sulla rivista: Nature

Provided by Chinese Academy of Sciences