Ecco cosa posso dirci di Zwicky 18 sulle prime stelle dell'universo

Una galassia nana blu a soli 59 milioni di anni luce di distanza può ospitare cugini delle misteriose stelle della Popolazione III.

Le prime stelle nell'universo erano diverse da quelle che possiamo vedere oggi. Conosciute dagli astronomi come stelle della Popolazione III, erano grandi, massicce e composte quasi interamente da idrogeno ed elio. Le stelle della popolazione III erano importanti perché arricchivano il mezzo interstellare di metalli - tutti gli elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio - e partecipavano alla reionizzazione, un evento a poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang che rese l'universo più trasparente.

Trovare le stelle della popolazione III potrebbe confermare parti importanti delle nostre teorie della cosmologia e dell'evoluzione stellare. Tuttavia, dovrebbero ormai essere andati tutti dalla Via Lattea, essendo esplosi come supernova molto tempo fa. Possiamo guardare nel lontano universo per cercarli con alti spostamenti verso il rosso - e in effetti, il James Webb Space Telescope farà proprio questo - ma rilevare singole stelle a quella distanza è al di là delle nostre attuali capacità. Finora i telescopi non hanno rivelato nulla.

Un'immagine del telescopio spaziale Hubble di I Zwicky 18 mostra gas illuminato da giovani stelle blu. Credito di immagine: NASA / ESA / A. Aloisi.

Recenti osservazioni di una vicina galassia nana di nome I Zwicky 18, tuttavia, ci hanno dato qualche speranza. A soli 59 milioni di anni luce di distanza, la galassia sembra contenere nuvole di idrogeno che sono quasi prive di metallo. Inoltre, sta subendo uno scoppio di formazione stellare che potrebbe produrre stelle molto simili a quelle della popolazione III. Se potessimo saperne di più su questa galassia, potrebbe fornirci indizi su come fossero le prime stelle e galassie nell'universo.

L'attuale ondata di formazione stellare è la prima?

Le osservazioni HI iniziali di I Zwicky 18 hanno utilizzato l'interferometro radiofonico a Westerbork, nei Paesi Bassi. Credito di immagine: l'utente di Wikipedia Onderwijsgek, con licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Paesi Bassi.

Uno dei primi studi per attirare l'attenzione sulla possibilità che I Zwicky 18 stia formando stelle analogiche di Popolazione III fu di Lequex & Viallefond 1980. Hanno integrato le osservazioni ottiche esistenti delle regioni HII - nuvole di gas ionizzato che ospitano stelle giovani, calde e massicce - con studi sulle regioni HI attraverso la linea di emissione di 21 cm, uno strumento chiave per la mappatura dell'idrogeno neutro. Stavano cercando di capire se l'attuale round della massiccia formazione stellare nella galassia nana fosse il suo primo, o se fosse stato preceduto da altri eventi, inquinando le nuvole di idrogeno con i metalli.

Le loro osservazioni radio con il radiotelescopio di sintesi Westerbork hanno rilevato una massa HI totale di circa 70 milioni di masse solari in sei regioni separate, tre delle quali sono rimaste irrisolte. Non erano in grado di collegare i singoli componenti alle mappe delle regioni HII, ma le misurazioni della velocità radiale delle nuvole hanno scoperto che la massa totale della galassia era molto maggiore di circa un fattore dieci, suggerendo che era presente un altro tipo di massa.

C'erano due possibilità: o la massa invisibile era idrogeno molecolare - che non emetteva radiazioni di 21 cm - o c'era una popolazione fioca di stelle più vecchie. L'ipotesi dell'idrogeno molecolare non poteva essere esclusa, ma l'idea di un gruppo di stelle non ancora visto era attraente. Per prima cosa, le nuvole HI sembravano abbastanza simili alle nuvole primordiali necessarie per la formazione della galassia. Se queste regioni HI fossero effettivamente primordiali, allora queste stelle fioche avrebbero potuto sostenerle contro il collasso gravitazionale per miliardi di anni.

Figura 5, Lequex e Viallefond 1980. Una mappa delle regioni HI nella galassia mostra che tre (etichettati 1, 2 e 5) sono abbastanza grandi da essere risolti, mentre gli altri sono fonti puntuali. Le regioni 1, 4 e 5 sono le più massicce.

Una foto ha cominciato ad emergere. Il confronto tra l'emissione di Lyman continuum e l'emissione di raggi ultravioletti ha indicato che l'esplosione della formazione stellare deve essere iniziata circa qualche milione di anni fa, probabilmente a causa della collisione di diverse nubi di idrogeno. Prima di questo, ci sarebbe stata la formazione di stelle rosse fioche su una scala più piccola, ma non abbastanza per arricchire la galassia più di quanto suggerisse l'abbondanza di ossigeno osservata in basso. Pertanto, le stelle che si formano in I Zwicky 18 dovrebbero in effetti essere molto vicine alle stelle della popolazione III.

Con che tipo di stelle abbiamo a che fare?

Figura 1, Kehrig et al. 2015. Un'immagine composita (idrogeno alfa + UV + r-band) di nodi luminosi nella galassia nana che mostrano un'intensa emissione di elio.

L'idea prese piede nei prossimi decenni e gli astronomi si interessarono a determinare la natura di queste giovani stelle. Un gruppo (Kehrig et al. 2015) era particolarmente interessato a determinare quale tipo di stelle massicce potesse spiegare meglio la linea He II λ4686, un indicatore di radiazione dura e materiale ionizzante di stelle calde nelle regioni di formazione di stelle HII. C'erano un paio di possibili colpevoli:

  • Le stelle di Wolf-Rayet di tipo primitivo, che si ritiene siano responsabili di gran parte dell'emissione di He II λ4686 nelle galassie che formano le stelle.
  • Shock e binari a raggi X, che sono stati trovati anche in regioni HII extragalattiche.
  • O stelle estremamente povere di metalli, o - facendo un ulteriore passo in avanti - O stelle completamente prive di metalli, simili alle stelle della popolazione III.

Il gruppo ha escluso rapidamente le stelle di Wolf-Rayet. Le firme chiave delle stelle Wolf-Rayet in carbonio povero di metallo erano chiaramente evidenti negli spettri, ma il numero inferito basato sulla linea C IV λ1550 era troppo piccolo per tenere conto di tutte le emissioni di elio. Allo stesso modo, la possibilità binaria di raggi X è stata scartata perché l'unico binario di raggi X trovato era troppo debole di un fattore 100.

Figura 2, Kehrig et al. 2015. Una regione ad alta emissione di Hα e He II λ4686 mostra una piccola sovrapposizione con emissione [OI] λ6300 e basso contrasto [S II], escludendo la possibilità di shock radiografici.

Tuttavia, un gruppo di circa una dozzina di stelle libere da metallo di un centinaio di masse solari potrebbe riprodurre correttamente la linea He II λ4686 osservata. Ci sono sacche di gas vicino a un nodo nel bordo nord-ovest della galassia che sono prive di metalli e fornirebbero un ambiente adatto per la formazione di queste stelle, anche se probabilmente ci sono anche stelle arricchite chimicamente. Alcuni modelli di massa estremamente elevata (~ 300 masse solari) offrono un'alternativa a queste stelle senza metallo, ma alla luce delle precedenti osservazioni, i modelli senza metallo rimangono allettanti.

Per il momento, i nostri telescopi non sono in grado di rilevare le stelle della popolazione III. Fino a quando non lo faranno, possiamo ancora imparare molto sull'universo primordiale studiando galassie nane compatte blu come I Zwicky 18. Gli analoghi a basso redshift e privi di metallo delle prime stelle nell'universo sono abbastanza vicini da consentirci di studiare oggi. La galassia più povera di metalli nell'universo è un buon punto di partenza.