6 minuti di letturaIl telescopio Hubble non è riuscito a trovare le stelle più vecchie dell’universo

A mio avviso uno degli aspetti più belli di avere un blog di divulgazione scientifica è che posso scrivere un post anche quando non si scopre niente. In astrofisica succede molto spesso e oggi vi racconto proprio un episodio del genere.

Il telescopio spaziale Hubble (HST, Hubble Space Telescope) scruta l’universo da 30 anni. HST osserva più che altro la luce visibile emessa dalle galassie nell’universo, cioè più o meno la luce a cui anche il nostro occhio è sensibile. Le immagini che HST ha prodotto in questi anni sono straordinarie.

Il telescopio spaziale Hubble merita sempre una foto in un post (Crediti: NASA)

Ma al di là delle immagini straordinarie, molte volte HST ha guardato intensamente una determinata porzione di cielo per molte ore: l’obiettivo è quello di raccogliere più luce possibile e ottenere immagini profonde del cielo. Un’immagine profonda vuol dire un’immagine che contiene galassie poco luminose e, presumibilmente, lontane. E lontane nello spazio, quando si osserva l’universo, vuol dire anche indietro nel tempo. Quest’ultima cosa è vera perché la luce impiega un certo tempo per arrivare a noi sulla Terra: più una galassia è lontana, più tempo ci vorrà per la luce per arrivare tra gli specchi di HST. Nel frattempo, mentre la luce viaggia su queste distanze enormi, tutto l’universo si espande: l’effetto finale è che la lunghezza d’onda della luce viene in qualche modo stirata dall’espansione dell’universo. Quindi se una galassia lontanssima emette luce da stelle blu, questa luce arriva noi magari rossa. Questo è anche un modo per capire quant’è distante quella galassia (il fenomeno si chiama redshift).

Quindi HST può osservare e raccogliere luce dall’universo lontano, ma non può osservare proprio tutto: deve fermarsi a una certa luminosità limite (dovuta alla capacità strumentale del telescopio) e a una certa lunghezza d’onda; infatti se il redshift fa diventare la luce della galassia troppo rossa, praticamente infrarossa, allora HST non è in grado di misurare questa luce.

Ho fatto tutta questa premessa perché vorrei fosse chiaro che HST è uno strumento: ha dei limiti fisici che non possono essere superati e tutte le scoperte fatte con HST devono essere analizzate attraverso questi limiti.

Torniamo al titolo di questo post: perché HST scruta l’universo per cercare stelle vecchie? Per capirlo, guardiamo il Sole.

Il Sole è una palla di gas: quale gas? Quasi tutto idrogeno, il nucleo atomico più elementare, quello fatto da un solo protone. Però nel nucleo del Sole quattro nuclei di idrogeno si combinano e si forma un nucleo di elio (fatto di due protoni e due neutroni). Quindi nel Sole c’è l’idrogeno e c’è l’elio, il quale si forma man mano che la stella procede nel suo ciclo vitale. Se però si va a guardare l’atmosfera solare, allora si scopre che ci sono anche altri elementi: per esempio il litio, il berillio, il neon e altri. Questi nuclei atomici sono tutti più pesanti dell’elio. Siccome in astrofisica gli elementi più abbondanti con cui si a che fare sono quasi sempre idrogeno ed elio, allora tutti gli altri elementi sono chiamati metalli, così per indicare il mucchio selvaggio di elementi che avanzano (anche se non sono veri e propri metalli nel senso che tutti abbiamo in mente).

La domanda è: se nel nucleo delle stelle come il Sole si forma l’elio, da dove saltano fuori i metalli nel Sole? La risposta è: dalle altre stelle.

Come? What? Mi spiego. Il Sole è nato da una nube di idrogeno che è collassata su sé stessa 4,5 miliardi di anni fa. Questa nube però non conteneva solo idrogeno, perché formata da gas generato dall’esplosione di altre stelle nel passato, dalle cosiddette supernovae. E così via a ritroso, con tutte le altre stelle dell’universo.

Pensiamo un attimo all’universo primordiale, quando ancora non erano nate le prime stelle: come risultato di quella che si chiama nucleosintesi primordiale (di cui parlaremo in un’altra occasione), c’erano solo idrogeno (circa 75%), qualche nucleo atomico di elio (circa 25%) e tracce di metalli (soprattutto litio). Quando si formarono, le prime stelle erano quindi praticamente enormi palle di solo idrogeno. Queste prime stelle però formarono elio nel nucleo e altri elementi, i metalli appunto, durante le loro esplosioni come supernovae. Le esplosioni sparsero nell’universo perciò gas con una concentrazione di metalli più alta di quando si formarono le prime stelle. Così le nuove stelle che si formarono avevano una quantità di metalli maggiore; poi esplosero e il ciclo continuò, fino a oggi, fino ad arrivare alle stelle come il Sole.

Il ciclo vitale delle stelle. Si parte da una nebulosa (star-forming nebula): a seconda della massa poi una stella evolve in una nebulosa planetaria (Planetary nebula) o in una Supernova. Parte del gas che resta da una nebulosa planetaria o da una supernova infine torna ad alimentare nuove nebulose da cui si formeranno nuove stelle.

Gli astrofisici allora hanno pensato di classificare le stelle in base al loro contenuto di metalli. Le stelle come il Sole, quelle che hanno più metalli di tutte perché più giovani e recenti, sono dette stelle di popolazione uno. Le stelle più vecchie, tipo quelle che hanno generato il Sole, hanno invece una concentrazione di metalli più bassa perché si sono formate in un’epoca passata dell’universo in cui ancora non c’erano troppi metalli in giro: queste sono dette stelle di popolazione due.

Le stelle di popolazione due sono quindi le stelle più vecchie che conosciamo oggi. Tuttavia queste stelle non sono completamente metal-free: seppur piccola, la concentrazione di metalli non è trascurabile nelle stelle di popolazione due. Questo vuol dire che le stelle di popolazione due dovrebbero essersi formate, a loro volta, da stelle ancora più vecchie senza alcuna traccia di metalli (a parte qualche nucleo di elio e litio, come detto prima): ecco, a questa generazione antichissima di stelle appartengono le stelle di popolazione tre.

Ma c’è un problema: le stelle di popolazione tre non le ha mai viste nessuno direttamente. Ci sono al momento alcune evidenze indirette che sfruttano la potenza delle lenti gravitazionali, ma siamo ancora in alto mare in questo campo di ricerca. Ma perché nessuna stella di popolazione tre è visibile oggi? Una possibilità è che queste stelle siano tutte esplose già: se la massa delle stelle di popolazione tre era abbastanza elevata, allora il processo di trasformazione di idrogeno in elio sarebbe andato a ritmo molto rapido (come tutte le stelle massicce) e quindi ora le stelle di popolazione tre sarebbero tutte stelle di neutroni o buchi neri.

Però, se prendiamo un telescopio abbastanza potente e guardiamo abbastanza lontano, cioè abbastanza indietro nel tempo, allora prima o poi qualche stella di popolazione tre dovremmo per forza beccarla. Ecco che cosa ha provato a fare il telescopio spaziale Hubble, ma senza successo: neanche HST è riuscito a vedere direttamente stelle di popolazione tre. Con i suoi strumenti e sfruttando anche in questo caso il fenomeno delle lenti gravitazionali, HST ha studiato l’universo in un’epoca che corrisponde circa all’intervallo tra 500 milioni di anni e un miliardo di anni dopo il Big Bang. Risultato: niente.

Ora, perché questa non osservazione è comunque una scoperta? Perché vuol dire che le stelle di popolazione tre devono essersi formate ancora prima dell’epoca pari a 500 milioni di anni dopo il Big Bang e ciò impone ulteriori vincoli sulla loro potenziale massa stellare media (se sono esplose prima, allora dovevano essere molto grandi e sorge il dubbio: come facevano allora queste stelle semplicemente a stare in piedi? Ma questa è un’altra storia).

La ricerca continua, certo, ma Hubble a questo punto dovrà farsi da parte in questo campo. Tocca ora al suo successore, il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA riuscire nell’impresa, sempre che la NASA riesca a fissare una volta per tutte la data di lancio: al momento ci sono stati diversi rinvii e se ne parla nel 2021.

Osservare le stelle di popolazione tre sarebbe una notizia di importanza fondamentale per la nostra comprensione dell’universo. Ma, come dicevo, anche non osservarle (ancora) può dirci molto. In un modo o nell’altro, con la presenza o la privazione, l’osservazione scrupolosa dell’universo ci racconta sempre qualcosa.

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