Perché le prime stelle erano così enormi?

Non tutte le prime stelle erano gigantesche, ma alcune di esse si pensa fossero migliaia di volte più massicce e milioni di volte più luminose delle stelle tipiche di oggi.

Una delle grandi ricerche in astronomia è quella di trovare le prime stelle. Queste stelle vissero e morirono entro poche centinaia di milioni di anni dal Big Bang, ma per quelle nelle parti più lontane dell’universo, la loro luce potrebbe solo ora raggiungerci, dopo aver trascorso 14 miliardi di anni attraversando lo spazio. A una tale distanza, è difficile individuare una galassia, figuriamoci stelle singole, eppure molti astronomi pensano che ci stiamo avvicinando, grazie alle dimensioni enormi di alcuni di questi colossi. Quindi, perché l’universo primordiale aveva stelle così più grandi di quelle che esistono oggi?

Prima di rispondere a questa domanda, è necessario un po’ di contesto e spiegazione dei termini. Ci sono alcune stelle veramente immense oggi se parliamo di dimensioni, piuttosto che di massa. Se il centro di Betelgeuse – una stella supergigante rossa – fosse dove si trova il 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 vicino a un miliardo di volte più grande. Queste cifre sono approssimative, la superficie costantemente mutevole di Betelgeuse, che assomiglia a una pentola che sta per bollire, 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. Ci sono 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.

Quindi, 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 formarono interamente da idrogeno e elio insieme a un po’ di litio, senza tutti gli elementi più pesanti che esistono oggi. 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 raggiungevano 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 quella 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 radiare 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 di 1.000 masse solari supererebbe il nostro Sole di circa 3 milioni di volte in luminosità. 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.