Stella estremamente rara di seconda generazione scoperta all’interno di una antica galassia nana

La stella è il primo esempio inequivocabile di arricchimento chimico da parte delle prime stelle dell’Universo all’interno di un ambiente primordiale.

Scoperta nella galassia nana Pictor II, la stella PicII-503 presenta una carenza estrema di ferro — meno di 1/40.000 del Sole.

Questa firma la rende l’esempio più chiaro di una stella all’interno di un sistema primordiale che preserva l’arricchimento chimico delle prime stelle dell’Universo.

PicII-503 presenta anche un’eccessiva eccessiva abbondanza di carbonio, fornendo l’anello mancante per collegare le stelle potenziate dal carbonio osservate nell’alone della Via Lattea a un’origine nelle antiche galassie nane.

Gli astronomi hanno scoperto una delle stelle più primitive dal punto di vista chimico mai identificate — un antico reperto stellare che preserva l’impronta chimica delle primissime stelle dell’Universo.

Questa stella, chiamata PicII-503, risiede nella minuscola e ultra-debole galassia nana Pictor II.

La scoperta è stata resa possibile dalla Dark Energy Camera (DECam) prodotta dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, montata sul telescopio Víctor M. Blanco della National Science Foundation degli Stati Uniti, presso l’Osservatorio Interamericano NSF Cerro Tololo (CTIO) in Cile, un programma della NSF NOIRLab.

Pictor II si trova nella costellazione del Pittore. Contiene diverse migliaia di stelle ed ha più di dieci miliardi di anni. PicII-503 si trova ai margini della galassia e contiene meno ferro di qualsiasi altra stella mai misurata al di fuori della Via Lattea, oltre a presentare un’eccessiva abbondanza di carbonio.

Queste firme corrispondono inequivocabilmente a quelle delle stelle potenziate dal carbonio presenti nelle zone periferiche della Via Lattea, le cui origini sono rimaste, fino ad ora, un mistero.

Lo studio è stato guidato da Anirudh Chiti, borsista del premio Brinson presso la Stanford University, e i risultati sono presentati in un articolo pubblicato su Nature Astronomy.

Le prime stelle dell’Universo si formarono da gas che conteneva solo elementi semplici, idrogeno ed elio.

All’interno dei loro nuclei infuocati, questa prima generazione di stelle creò i primi elementi più pesanti dell’elio, come carbonio e ferro, che gli astronomi definiscono “metalli”.

Quando queste stelle esplodevano, rilasciavano i loro elementi pesanti nel mezzo interstellare per essere riciclati nella generazione successiva di stelle.

Le stelle di seconda generazione sono come capsule del tempo, preservando le basse quantità di elementi pesanti rilasciati durante le morti esplosive delle stelle di prima generazione. Cercando queste rare stelle a bassa metallicità e derivandone la chimica, gli scienziati possono comprendere meglio i meccanismi di produzione iniziale degli elementi nell’Universo.

PicII-503 è il primo esempio inequivocabile di una stella di seconda generazione in una galassia nana.

È stato scoperto nei dati del sondaggio DECam MAGIC (Mapping the Ancient Galaxy in CaHK), un programma di osservazione di 54 notti progettato per identificare le stelle più antiche e chimicamente primitive della Via Lattea e le sue galassie nane compagne.

Utilizzando un filtro specializzato a banda stretta sensibile alle caratteristiche di assorbimento del calcio, gli astronomi sono riusciti a stimare il contenuto metallico di migliaia di stelle solo dai dati di immagini.

Tra le centinaia di stelle vicino a Pictor II, i dati MAGIC hanno individuato PicII-503 come candidato eccezionalmente povero di metalli, permettendo ai ricercatori di puntarla per uno studio di follow-up dettagliato. 

“Senza i dati di MAGIC, sarebbe stato impossibile isolare questa stella tra le centinaia di altre stelle nei pressi della galassia ultra-debole Pictor II,” dice Chiti.

Combinando dati di MAGIC, del telescopio Magellano/Baade e del Very Large Telescope dell’ESO, il team ha scoperto che PicII-503 ha le abbondanze di ferro e calcio più basse mai misurate al di fuori della Via Lattea.

Questa scarsità di ferro e calcio la rende il primo oggetto che preserva chiaramente l’arricchimento delle prime stelle in una galassia nana relicta.

“Scoprire una stella che preserva inequivocabilmente i metalli pesanti delle prime stelle era al limite di ciò che pensavamo possibile, data l’estrema rarità di questi oggetti,” dice Chiti. 

“Con la più bassa abbondanza di ferro mai ottenuta in una galassia nano ultra-deboli, PicII-503 offre una finestra sulla produzione iniziale di elementi all’interno di un sistema primordiale senza precedenti.”

Ancora più sorprendente, il team ha scoperto che il rapporto carbonio-ferro di PicII-503 è oltre 1500 volte quello del Sole.

Questa sovrabbondanza corrisponde alla firma di carbonio distintiva delle stelle a basso contenuto di ferro osservate da tempo nell’alone della Via Lattea.

Queste sono conosciute come stelle povere di metalli potenziate nel carbonio, e la loro origine è rimasta sconosciuta fino ad ora.

Un’ipotesi è che le stelle povere di metalli potenziate dal carbonio siano stelle di seconda generazione che preservano gli elementi chimici prodotti dalle supernove a bassa energia delle stelle di prima generazione.

Durante questo processo, gli elementi pesanti che si formano vicino all’interno della stella, come il ferro, ricadono nell’oggetto compatto residuo, mentre gli elementi più leggeri che si trovano vicino alle regioni esterne della stella, come il carbonio, vengono espulsi nel mezzo interstellare per inseminare la formazione della prossima generazione di stelle.

PicII-503 supporta la spiegazione delle supernove a bassa energia perché si trova in una delle galassie nane più piccole che conosciamo.

Se la supernova che ha prodotto i metalli presenti in PicII-503 fosse ad alta energia, allora gli elementi sarebbero sfuggiti all’attrazione gravitazionale della piccola galassia nana Pictor II.

PicII-503 dimostra anche che le stelle povere di metalli potenziate in carbonio osservate nell’alone della Via Lattea probabilmente hanno avuto origine da antiche galassie nane relitto che, nel tempo, si sono fuse con la nostra.

“Ciò che mi entusiasma di più è che abbiamo osservato un risultato della produzione primordiale di elementi in una galassia primordiale, che è un’osservazione fondamentale!” dice Chiti. 

“Si collega anche chiaramente alla firma che abbiamo visto nelle stelle dell’alone della Via Lattea a bassa metallicità, collegando le loro origini alla natura arricchita dalla prima stella di questi oggetti.”

“Scoperte come questa sono archeologia cosmica, che scoprono fossili stellari rari che preservano le impronte digitali delle prime stelle dell’Universo”, afferma Chris Davis, direttore del programma NSF per NOIRLab. 

“Attendiamo con interesse molte altre scoperte con l’inizio del Legacy Survey of Space and Time dell’Osservatorio Rubin della NSF–DOE entro la fine di quest’anno.”

PicII-503 offre uno sguardo raro e diretto nel primo capitolo dell’evoluzione chimica dell’Universo, un momento fondamentale che alla fine ha preparato il terreno per i pianeti, la chimica e la vita stessa.

Collega inoltre i misteri di lunga data sulle antiche stelle della Via Lattea alle loro origini nelle galassie nane primordiali.

CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA
Image processing: Image Processing: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab)
Acknowledgment: PI: Anirudh Chiti, Alex Drlica-Wagner

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