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Passiamo Al Lato Oscuro – Volume III

Matteo Agati13 min di lettura

“Non hai nessuno dietro ora!! Facciamo saltare quest’affare e andiamo a casa!”.

In questo articolo

Han Solo

Con questa celebre frase il pilota Han Solo sprona il giovane Luke Skywalker a colpire all’istante il reattore della stazione che alimenta la navicella/pianeta artificiale “La Morte Nera”. Ciò innesca una reazione a catena che fa esplodere l’intera astronave, portando ad una vittoria schiacciante dell’Alleanza Ribelle contro le forze dell’Impero Galattico al termine dell’ “Episodio IV – Una nuova speranza” nella Saga di Star Wars.
Divenuto un simbolo della cultura pop, la Morte Nera è il planetoide emblema del potere detenuto da Darth Vader e dalle Forze Oscure dell’Impero. Questo pianeta oscuro, per via della sua capacità di autoalimentarsi, non è molto dissimile da una stella, o meglio dire da una Stella Oscura.

Nella Nostra realtà questa particolare tipologia di corpi celesti rappresenta uno dei rompicapi maggiori per la ricerca scientifica, la cui esistenza dimostrerebbe alcuni fatti al momento inspiegabili, come l’assenza di fenomeni di fusione nucleare per le prime stelle agli albori dell’Universo o le irregolarità nelle curve di rotazione delle galassie a spirale fino ad arrivare al fenomeno delle lenti gravitazionali.

L’assenza di reazioni di fusione farebbe storcere il naso a qualunque astrofisico. Infatti, per definizione, un corpo celeste si può definire stella se soddisfa due condizioni:

  1. Brillare di luce propria;
  2. Raggiungere pressioni e temperature tali da dar il via ai processi di fusione nucleare al centro.

I due aspetti sono profondamente correlati poiché, senza fusione nucleare una stella non può accendersi.
Benché il nome possa trarre in inganno, le stelle oscure sono dei corpi luminosissimi, estremamente lontani nello spazio e nel tempo e molto più grandi delle stelle a noi note. Ma se si tratta di oggetti così appariscenti, perché li stiamo scoprendo solo adesso? Parliamone!

Origine delle Stelle Oscure

I Modelli Standard asseriscono che le prime luci dell’Universo si sono accese 300 milioni di anni dopo il Big Bang grazie all’apparizione delle prime stelle. A quei tempi l’Universo era relativamente piccolo e la Materia Oscura (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Passiamo Al Lato Oscuro – Volume I”) doveva essere preponderante e più densa di quanto lo sia oggi. Essa era intervallata da spazi vuoti, detti aloni (vedi Figura 1), in cui si sarebbe andata a concentrare la materia oscura affiancata dalla materia tradizionale (tipicamente nubi di idrogeno ed elio gassoso) che, raffreddandosi fino a raggiungere le densità e le temperature critiche, avrebbe dato il via ad un collasso gravitazionale ed alla conseguente formazione delle prime stelle, indicate in astrofisica come ” Stelle di Popolazione III”.

Figura 1: La distribuzione della materia oscura (invisibile) è stata resa in rosa nell’immagine scattata dall’European Southern Observatory (Osservatorio Europeo Australe) a Pananai, in Cile (Fonte: eso. org).

Tali corpi avevano vita “breve” e, nel giro di qualche milione di anni, si disgregavano rovinosamente sotto forma di supernovae (l’atto finale del ciclo evolutivo di stelle molto massive). Durante tale evento rilasciavano nello spazio i prodotti della fusione nucleare, quali ossigeno, carbonio e ferro, che avrebbero costituito la base per le ” Stelle di Popolazione II”, le quali, a differenza della terza generazione, ad idrogeno ed elio puri affiancavano dei contaminanti.

In seguito, anche questi astri luminosi sarebbero collassati nelle “Stelle di Popolazione I” (di cui fa parte anche il nostro Sole), rilasciando altro fertilizzante interstellare. Gli elementi pesanti presenti nella prima generazione hanno consentito alle stelle più recenti di organizzarsi in sistemi planetari (e. g., il nostro sistema solare).
Ad oggi la materia oscura compenserebbe l’insufficienza della materia visibile nel tenere unite le strutture del Cosmo, impedendo che alle altissime velocità dei sistemi planetari e delle galassie l’Universo si smembri per effetto delle forze centrifughe.

Proprietà delle Stelle Oscure

La fusione nucleare (di cui vi abbiamo parlato nell’articolo “Dove Ci Porterà La Fusione Nucleare?”) è la reazione che alimenta le stelle, il Sole incluso (schematizzato in Figura 2). Durante tale reazione, il Deuterio ed il Trizio (due isotopi dell’idrogeno, cioè due atomi di idrogeno “modificati” che possiedono, rispettivamente, uno e due neutroni rispetto all’idrogeno base) si fondono liberando una particella, ossia un nucleo di elio, ed un neutrone, con annesso un rilascio di energia pari a 17,6 MeV (cioè un milione di volte l’energia di 1 elettronvolt, l’energia necessaria per accelerare un elettrone attraverso una differenza di potenziale di 1 Volt), secondo quanto riportato nell’eq. 1:

D+T→α+n+17,6MeVD + T \to \alpha + n + 17,6 MeV
Figura 2: Schema della struttura a gusci concentrici del Sole (Fonte: cronachedalsilenzio. it).

Tuttavia, gli studi recenti stanno cercando di dimostrare che le prime stelle non si basavano sulla fusione nucleare. Esse rappresentano un’altra categoria di corpi luminosi: le “Stelle Oscure” (Dark Stars). Questi misteriosi corpi celesti sono stati teorizzati per la prima volta nel 2008 da Katherine Freese, Doug Spolyar e Paolo Gondolo.
Benché il nome possa trarre in inganno, tali stelle straordinariamente luminose rappresenterebbero dei giganti gassosi costituiti principalmente da idrogeno ed elio, ma con energia originatasi dall’annichilazione della materia oscura al loro interno (fenomeno fisico consistente nelo scontro tra una particella, e. g., l’elettrone e-, e la sua antiparticella, e. g., il positrone e+, cioè la particella con carica dello stesso valore ma di segno opposto, con il conseguente annullamento delle masse che sono trasformate in energia sotto forma di fotoni, come vi abbiamo descritto nell’articolo “Applicazioni Energetiche Della Relatività”), anziché come prodotto della fusione nucleare (vedi Figura 3).

Figura 3: Produzione di particelle secondarie a seguito dell’annichilazione delle particelle di materia oscura (Fonte: marco-casolino. blogspot. com).

Nelle prime protogalassie il calore rilasciato dall’annichilazione avrebbe consentito agli aloni (di cui parlavamo prima) di ingigantirsi ulteriormente accumulando la materia ordinaria in un nucleo abbastanza denso al punto da sostenere la fusione nucleare come in una stella ordinaria. Tuttavia, tali astri avrebbero continuato ad accumulare gas e materia oscura, divenendo molto più grandi e luminose delle stelle tradizionali, e distribuendo uniformemente la fonte di energia, anziché concentrarla nel nucleo (come riportato nell’immagine stilizzata in Figura 4).

Figura 4: Rappresentazione stilizzata di un gruppo di stelle di “Popolazione III” mentre ionizzano l’idrogeno gassoso circostante (Fonte: chpdb. it).

Pertanto, le stelle oscure risulterebbero essere dei corpi supermassicci, con masse fino ad 1 milione di volte superiore a quella del Sole, alla temperatura di 10.000 °C e con luminosità simili a quelle di un’intera galassia primordiale, nell’ordine di 1 miliardo di volte quella della nostra stella.

Le immagini catturate dal telescopio spaziale James Webb (JWST)

Il telecopio spaziale James Webb (James Webb Space Telescope, JWST) porterebbe prove tangibili dell’esistenza delle stelle oscure.
Un team guidato da Cosmin Ilie, con la collaborazione di Shafaat Mahmud e Jillian Paulin della Colgate University, oltre a Katherine Freese (University of Texas ad Austin), ha studiato gli oggetti individuati dal JADES, la Ricerca Avanzata Extragalattica Profonda del JWST, nell’area dell’Ultra Deep Field di Hubble (il campo di Hubble ultraprofondo).
JWST ha osservato la regione di Hubble (vedi Figura 5), arrivando ad individuare ben 100.000 galassie.

Figura 5: L’immagine più bella e colorata dell’Universo profondo, scattata dal telescopio spaziale Hubble (Fonte: focus. it).

Tra i corpi osservati individuati da JWST risaltano quattro “Stelle di Popolazione III” (risalenti ad un periodo compreso tra i 320 milioni ed i 400 milioni di anni dal Big Bang) che appaiono come delle singole palline sfocate di gas incandescente riscaldato dalla materia oscura (vedi Figura 6). Tre di essi risultano compatti e si possono associare a delle stelle oscure circondate da una nebulosa di idrogeno ed elio ionizzati, mentre il quarto è JADES-GS-z14-1 e spicca apparendo come una sorgente puntiforme, in accordo con una singola stella supermassiccia.

Figura 6: Le tre sorgenti osservate dal telescopio spaziale JWST e catalogate da Katherine Freese come probabili Stelle Oscure (Fonte: chpdb. it).

La luce emessa da JADES-GS-z14-0 (riportata in Figura 7), originatosi appena 300 milioni di anni dalla nascita dell’Universo, ha impiegato quasi l’età dell’Universo per raggiungerci. Questo corpo, confrontato con l’osservazione degli altri tre oggetti estremamente distanti, mostra caratteristiche riconducibili ad un modello di stella oscura supermassiccia. È stata rilevata una linea di assorbimento dell’elio ionizzato (He II) alla lunghezza d’onda di 1640 Ångström, fenomeno che lo avvicina ad una stella oscura. Inoltre, un altro telescopio, l’Atacama Large Millimiter/submillimiter Array (ALMA) ha rilevato la presenza di ossigeno nello stesso oggetto, ossia di un elemento pesante che non dovrebbe trovarsi in una stella oscura primordiale, a rigore costituita da gas puro.
Una possibile spiegazione risiede nel fatto che tale stella potrebbe trovarsi all’interno di una galassia ricca di metalli, come conseguenza di fusione tra aloni di materia oscura.

Figura 7: Immagine composita di JADES-GS-z14-0 immortalata dalla fotocamera NIRCam del JWST (Fonte: Wikipedia. Org).

Cosa è emerso dalle osservazioni di JWST?

Dalle osservazioni del telescopio spaziale JWST è emerso che:

  • Esistono galassie brillanti e compatte troppo luminose a distanze enormi da qui, in regioni in cui l’Universo si era formato da relativamente poco tempo. Ciò sarebbe in disaccordo con il Modello Standard della cosmologia. Se si trattasse di stelle tradizionali, ciò significherebbe che la conversione da gas in stelle dovrebbe essere stata troppo rapida;
  • Vi sono buchi neri supermassicci (come quello rappresentato in Figura 8) con masse di miliardi di soli, formatisi in un’epoca in cui non vi sarebbero stati “semi” sufficienti lasciati dalle stelle convenzionali. Se si fossero formati a partire da stelle oscure (con masse milioni di volte quella solare), il rompicapo sarebbe presto risolto. Una volta bruciato tutto il loro combustibile oscuro (poiché il processo di annichilazione diventa sempre meno efficiente con il tempo), tali stelle collasserebbero direttamente in un buco nero di massa intermedia o supermassiccia, fornendo così i “semi pesanti” necessari per spiegare la rapida crescita di tali pozzi senza fondo. Approfondiremo meglio l’argomento nelle prossime settimane.
Figura 8: Un buco supermassiccio circondato da polveri e gas in moto vorticoso attorno all’orizzonte degli eventi, il confine oltre il quale nulla riesce a sfuggire, neppure la luce (Fonte: focus. it).

Conclusioni

L’eterna lotta tra luci e ombre, fusione nucleare ed annichilazione, che ci ha accompagna dall’alba dei tempi, ha fatto da sfondo all’articolo di oggi. Siamo andati sempre più a fondo nel macrotema della Materia Oscura, cercando di unire tutti i punti visti finora e abbiamo provato a tracciare un possibile albero genealogico delle Stelle e di come esse abbiano fatto da spartiacque tra le Epoche Oscure e l’era di luce che, da un certo punto in poi, ha “acceso” l’Universo, donandogli il fascino che tutti conosciamo.
Probabilmente non avremo saziato la fame di conoscenza dei più curiosi, ma ci auguriamo di aver “gettato ulteriore luce” sulla materia oscura.

Fin dall’inizio della saga abbiamo detto che la materia “non visibile” non emette, né riflette la luce. Benché non sia intercettabile dai nostri rilevatori che si basano sullo spettro elettromagnetico, può essere percepita attraverso le distorsioni che la sua gravità provoca nella radiazione luminosa. Avrete capito che altre storie ci aspettano nelle prossime settimane. A presto!

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