Perché le prime stelle erano così enormi?

L’astronomia è una scienza che si occupa di studiare l’universo e i suoi componenti, tra cui le stelle. Una delle grandi sfide per gli astronomi è quella di trovare le prime stelle, quelle che sono nate e morte nei primi centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. La luce di queste stelle, proveniente da parti molto lontane dell’universo, potrebbe solo ora raggiungerci dopo aver attraversato lo spazio per 14 miliardi di anni. A tali distanze, è difficile individuare una galassia, figuriamoci stelle singole, eppure molti astronomi pensano che stiamo avvicinandoci a questa scoperta, grazie alle dimensioni enormi di alcune di queste stelle primordiali. Ma perché l’universo primordiale aveva stelle così più grandi di quelle che esistono oggi?

Prima di rispondere a questa domanda, è necessario fornire un po’ di contesto e spiegare alcuni termini. Oggi esistono stelle di dimensioni immense, se parliamo di grandezza piuttosto che di massa. Ad esempio, se il centro di Betelgeuse fosse al posto del Sole, i suoi limiti esterni si estenderebbero quasi fino a Giove, rendendo il suo raggio quasi 1.000 volte quello del Sole e il suo volume quasi un miliardo di volte più grande. Queste cifre sono approssimative, poiché la superficie in costante cambiamento di Betelgeuse, che assomiglia a una pentola in ebollizione, è così difficile da misurare che le stime variano del 30-40 percento, ma non c’è dubbio che sia molto, molto grande.

Inoltre, Betelgeuse è solo la nostra supergigante locale, famosa perché è relativamente vicina. Esistono stelle sostanzialmente più grandi, come VY Canis Majoris.

Tuttavia, mentre queste stelle hanno volumi molto più grandi del Sole, ciò è dovuto al fatto che si sono espanse man mano che esauriscono l’idrogeno verso la fine della loro vita. La massa è una misura più importante di una stella, e qui l’intervallo è più piccolo. Le stelle più massicce conosciute nella nostra galassia contengono circa 125 masse solari. Ci sono dubbi anche su queste stime, poiché a meno che non abbiano una stella compagna, possiamo misurare la massa solo in modo indiretto. Tuttavia, generalmente si considera che oggi esista un limite tra 100 e 200 masse solari.

Molto poche stelle raggiungono questo limite; infatti, la maggior parte delle stelle ha masse considerevolmente inferiori a quella del Sole.

Allora, come mai stiamo cercando “mostri celesti” che si pensa abbiano 5.000-10.000 masse solari? Sebbene non confermato, una recente scoperta di elio illuminato nell’universo primordiale ha più senso se viene illuminato da stelle con masse 1.000 volte quelle del Sole, cinque o dieci volte ciò che è possibile oggi.

Le prime stelle (note come Popolazione III) si sono formate interamente da idrogeno e elio, insieme a un po’ di litio, senza tutti gli elementi più pesanti che esistono oggi, che sono i prodotti di generazioni stellari precedenti. Questi elementi più pesanti, che gli astronomi chiamano metalli, di solito costituiscono una proporzione molto piccola della massa iniziale delle stelle, ma si scopre che queste piccole impurità sono molto importanti.

Si pensa che il Big Bang abbia lasciato dietro di sé nuvole di gas contenenti circa 1.000 masse solari in punti in cui gli aloni di materia oscura hanno raggiunto il picco. L’idrogeno atomico è un radiatore di calore molto scarso. Quando una nuvola di gas di puro idrogeno collassa, si riscalda poiché la sua energia potenziale gravitazionale si trasforma in calore, raggiungendo infine le temperature e le pressioni in cui inizia la fusione, creando una stella. Non tutti sono d’accordo, ma la maggior parte degli astrofisici pensa che, finché il gas è un cattivo radiatore di calore, l’intera nuvola potrebbe condensarsi in una singola stella, almeno a volte.

Quando si verificano macchie di gas come quelle nell’universo moderno, come nelle regioni di formazione stellare come la Nebulosa di Orione, il gas è per lo più idrogeno, ma contiene una miscela di metalli, alcuni dei quali sono molto migliori nel irradiare calore. Quella radiazione extra significa che le macchie di gas si frammentano molto prima di diventare stelle, impedendo ai prodotti di diventare troppo grandi.

Questo non significa che tutte le stelle della Popolazione III fossero giganti. Un articolo propone che il minimo non fosse molto al di sopra di 0,8 masse solari, a causa del fatto che il gas a volte si frammentava in tasche più piccole. Questo è molto più grande della dimensione minima attuale, dove stelle come Proxima Centauri, con 0,12 masse solari, sono comuni. Tuttavia, ciò significa che la maggior parte delle prime stelle era ben all’interno dell’intervallo a noi familiare.

Anche così, sembra che il detto “c’erano giganti in quei giorni”, sebbene inesatto per la preistoria dell’umanità, fosse vero per le stelle. Una piccola proporzione delle prime stelle era veramente enorme. Poiché la luminosità stellare aumenta, per le stelle di sequenza principale, di più del cubo della massa, ci si potrebbe aspettare che una stella 1.000 volte più massiccia del sole fosse più di un miliardo di volte più luminosa. In realtà, questa relazione si interrompe per stelle con più di 55 volte la massa del Sole.

Di conseguenza, una stella con 1.000 masse solari supererebbe in luminosità il nostro Sole di circa 3 milioni di volte. Questo è ancora più che sufficiente perché una piccola minoranza delle prime stelle abbia un impatto sproporzionato sulla formazione delle galassie e, forse, sia visibile su miliardi di anni luce.