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L'Universo primordiale


Giovedì 19, Luglio 2012
in  Stella Stellina



Pochi secondi dopo il Big Bang, a una temperatura di circa un miliardo di gradi, si dovettero verificare reazioni nucleari in grado di trasformare i protoni in nuclei di idrogeno pesante. Nessun altro elemento poteva formarsi a quelle temperature e densità. Poi con l'espansione dell'Universo e il rapido diminuire della temperatura e densità, anche queste reazioni cessarono.


La percentuale di deuterio ed elio che oggi si osserva è compatibile con l'idea che questi elementi si siano generati praticamente tutti in questi primi istanti. Ne consegue che le prime stelle che cominciarono a condensarsi dovevano contenere soltanto idrogeno ed elio. Da qui l'idea che dovrebbe esistere una popolazione III di stelle completamente prive di metalli. Il fatto è che non se ne è mai osservato nemmeno una, ed anche quelle più povere di metalli, e cioè con una percentuale di un millesimo del valore solare, si contano sulla punta delle dita di una sola mano. Come mai? Va precisato che le stelle di Popolazione II oggi osservabili hanno tutte masse al più equali a 1,5 masse solari, o molto meno.


Questo perché le stelle di massa maggiore hanno già compiuto il loro ciclo evolutivo e non sono più osservabili, oppure sono diventate nane bianche, troppo deboli per essere vedute nei lontani ammassi globulari. Infatti, ricordiamoci che il ciclo evolutivo di una stella è tanto più breve quanto più grande è la sua massa: si va dai 10 milioni di anni per stelle di massa pari a 10 masse solari ai 100 miliardi di anni (ossia, tempi molto superiori all'età dell'Universo) per le nane rosse di massa pari ad 1/10 di quella del Sole.


Allora, possiamo supporre che le stelle della prima generazione, o di popolazione III, fossero tutte molto massicce e abbiano compiuto il loro ciclo evolutivo in meno di un miliardo d'anni cosicché oggi non sarebbero più osservabili. Durante la loro breve vita e la loro fine catastrofica come supernovae avrebbero peró arricchito il mezzo interstellare di quegli elementi sintetizzati nel loro interno, e che oggi riscontriamo nelle stelle di Popolazione II.


Tuttavia, ci sono diverse difficoltà per questa ipotesi. Intanto, sappiamo che le stelle osservabili oggi hanno una distribuzione di massa molto diversa da quella ipotizzata per la popolazione III: le stelle di piccola massa circolare; e queste ultime sono molto più numerose delle stelle di massa 10-20 volte quella del Sole. Sembra quindi che nel processo di frammentazione delle nubi, in cui si formano le stelle, i piccoli agglomerati siano di gran lunga i favoriti.


Abbiamo peró degli argomenti teorici, anche se alquanto controversi, che suggeriscono che in un mezzo privo di elementi pesanti si formerebbero soltanto stelle di grande massa.


Tuttavia, come a contraddire questa idea nel 1991 M.S. Bessel e J. Norris hanno scoperto una stella dall'alone di massa inferiore a quella del Sole e con un contenuto di elementi pesanti estremamente basso, 4 centomillesimi di quello popolare, per cui potrebbe essere un oggetto quasi di Popolazione III. Dunque stelle di piccola massa anche fra la popolazione III?


In una ricerca teorica il fisico Joseph Silk ha cercato di capire come le stelle di prima generazione si possono essere condensate dalle nubi primordiali. Il suo principale risultato è che si tratti di un processo fondamentalmente diverso da quello odierno. E non tanto perché le nubi primordiali erano prive di elementi pesanti, ma perché in esse in esse non erano immerse stelle già formate, e con loro venti e getti esplosivi fossero in grado di esercitare, come fanno oggi, un ruolo importante nell'accelerare le molecole di gas e nel frammentare le nubi in piccoli sottoagglomerati. Invece, allora le nubi primordiali, in assenza di questi agenti perturbanti, sarebbero state molto più uniformi, rendendo ugualmente probabile il condensarsi di stelle, con tutte le masse comprese fra 0,1 e 100 masse solari.


Peró, come si puó condensare una stella in un mezzo privo di polveri che fungano da nuclei di condensazione? Questa ed altre difficoltà, hanno spinto ad escogitare nuove ipotesi, come quella di J.G Hills, che peró non fa che spostare il problema. Egli suggerisce che la formazione di stelle si sia iniziata nell'ammasso di galassie della Vergine prima che nella nostra. La materia espulsa dalle prime supernovae si sarebbe condensata in granelli di polveri composti di ghiaccio, silicati e materiale ferroso. Questi grani, contaminando il gas intergalattico sarebbero infine arrivati nella nostra via Lattea, ma le determinazioni delle abbondanze di vari elementi di stelle molto povere di metalli e il confronto con le abbondanze di gas interstellare non hanno convalidato l'ipotesi di Hills.


Un'idea più interessante è stata suggerita nel 1984 dall'astrofisico sovietico Joseph Shklovkii, il quale si basa sui recenti lavori di robert terlevich e Jorge Melnick compiuti al quartier generale dell'E.S.O. a Garching, presso Monaco. Essi hanno preso in esame certe galassie in cui la formazione di stelle avviene in modo rapido e violento. Si tratta di galassie blu compatte con una caratteristica forma sferoidale e aventi una popolazione di stelle sicuramente giovani perché luminosissime.


Ció suggerisce che la formazione di stelle in tali oggetti avvenga rapidamente e quasi simultaneamente in brevi periodi di tempo intervallati da lunghi periodi di quiescenza. Infatti, se grappoli di stelle si formassero in continuazione, non si osserverebbero solo queste, ma anche il prodotto della loro evoluzione e cioè grappoli di supergiganti rosse. Se ne deduce che la nascita di centinaia o migliaia di stelle di grande massa e luminosità avvenga in tempo molto brevi rispetto alla durata della loro evoluzione, e cioè in periodi inferiori ai 10 milioni d'anni, seguiti da periodi di quiete.


Questo è molto diverso da quanto avviene nella nostra Galassia, dove le stelle luminose appena formate frantumano, con la loro pressione di radiazione e i loro venti, le nubi stesse che sono state la loro culla. Ne consegue che in una data regione possono nascere soltanto poche stelle di grande massa.


Come si vede, le ipotesi non mancano su queste fantomatiche ma necessarie stelle di Popolazione II e III. Tuttavia, per concludere, accenniamo anche ad un'altra idea avanzata da Michael Rowan-Robinson del Queen Mary College di Londra, le cui implicazioni cosmologiche sono state elaborate in collaborazione con J.R. Bond e B.J. Carr di Cambridge, in Inghilterra, e con W.D. Arnet del centro di Astronomia e Astrofisica di Chicago.


Umberto Paoli

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