I dati di Webb fanno ipotizzare la presenza di stelle oscure nell’Universo primordiale

Gli astronomi che studiano le osservazioni del telescopio spaziale James Webb hanno identificato tre oggetti la cui luce potrebbe provenire da stelle oscure anziché da normali galassie primordiali, secondo Sky at Night Magazine. Gli spettri disponibili non sono ancora abbastanza chiari da permettere di scegliere tra le due possibilità.

Gli oggetti fanno parte di un gruppo di 700 probabili sorgenti dell’Universo primordiale identificate nei dati raccolti da Webb nel 2022. Solo nove di queste sorgenti hanno spettri abbastanza precisi da consentire un’identificazione dettagliata. Una è confermata come galassia primordiale perché la sua luce contiene le firme di diversi elementi. Altre tre restano compatibili con l’ipotesi di stelle oscure o galassie, mentre le prove relative agli oggetti rimanenti non sono sufficienti a stabilirne la natura.

La distinzione è importante perché le stelle oscure offrirebbero una prospettiva diversa su come si siano formate le prime grandi strutture. Potrebbero inoltre contribuire a spiegare perché buchi neri estremamente massicci siano osservati così presto nella storia cosmica.

Un tipo diverso di prima stella

Le stelle oscure sono candidate teoriche a essere le prime stelle, formatesi circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Come le normali stelle primordiali, nascerebbero dall’idrogeno e dall’elio prodotti nel Big Bang. La loro fonte di energia, tuttavia, inizialmente non sarebbe la fusione nucleare.

Si ritiene che queste stelle si formino nei centri di giovani protogalassie, regioni che contengono quantità particolarmente elevate di materia oscura. Quando il gas di idrogeno iniziò a collassare, le particelle di materia oscura potrebbero annichilirsi a vicenda. I fotoni e le altre particelle risultanti rimarrebbero intrappolati nel gas, trasferendo l’energia della materia oscura all’oggetto in formazione.

Quell’energia potrebbe arrestare il collasso e creare un corpo simile a una stella. Il nome “stella oscura” si riferisce alla sua fonte di energia, non al suo aspetto: questi oggetti potrebbero essere straordinariamente luminosi. I loro interni sarebbero relativamente freddi, con temperature simili a quella della superficie del Sole, ma le loro enormi dimensioni permetterebbero loro di brillare intensamente.

In assenza della radiazione ad alta energia prodotta da una superficie più calda, l’oggetto potrebbe continuare ad accumulare materia. Le stelle oscure teoriche potrebbero infine raggiungere una massa pari a circa un milione di volte quella del Sole e brillare con una luminosità di circa un miliardo di volte quella del Sole. A quella scala, una singola stella oscura potrebbe apparire luminosa quanto una giovane galassia composta da numerose stelle convenzionali.

La loro durata dipenderebbe dall’accesso alla materia oscura. Una stella oscura potrebbe restare attiva per milioni o addirittura miliardi di anni finché disponesse di combustibile. Se uscisse da un ambiente denso di materia oscura, la sua fonte di energia si indebolirebbe e la stella inizierebbe a contrarsi e a riscaldarsi.

La sfida di Webb: stella o galassia?

I ricercatori stanno utilizzando le differenze tra la luce stellare e quella galattica per mettere alla prova l’ipotesi. Una galassia giovane dovrebbe contenere molte stelle e quindi mostrare nel proprio spettro tracce di una gamma di elementi chimici. Una stella oscura, al contrario, dovrebbe essere composta soltanto da idrogeno ed elio.

Alla risoluzione attualmente disponibile, entrambi i tipi di sorgente potrebbero apparire come un singolo punto luminoso. In linea di principio, una galassia potrebbe rivelare più informazioni attraverso le sue dimensioni o la sua forma apparenti, ma le enormi distanze in gioco rendono difficile farlo. La spettroscopia fornisce quindi il test più importante, e le misurazioni esistenti non sono ancora abbastanza solide per tre degli obiettivi di Webb.

Sky at Night Magazine ha discusso l’indagine con Katherine Freese, direttrice del Weinberg Institute for Theoretical Physics e titolare di una cattedra di fisica presso la University of Texas di Austin. Freese è specializzata in cosmologia teorica e fisica delle astroparticelle e ha lavorato sull’ipotesi delle stelle oscure.

Possibili semi per buchi neri giganti

Le stelle oscure potrebbero inoltre collegare la prima generazione stellare ai buchi neri massicci osservati nell’Universo giovane. Quando un ambiente ricco di materia oscura non fosse più in grado di sostenere una stella oscura molto grande, il suo collasso potrebbe concludersi in modo diverso a seconda della massa. Un oggetto più piccolo potrebbe sviluppare un nucleo caldo alimentato dalla fusione. Una stella oscura prossima a un milione di masse solari potrebbe invece collassare in un buco nero.

Gli astronomi hanno trovato buchi neri con masse pari a circa un miliardo di volte quella del Sole in una fase inaspettatamente precoce della storia cosmica. Se numerose stelle oscure producessero semi di buchi neri di circa un milione di masse solari, questi semi potrebbero fondersi e potenzialmente formare i buchi neri supermassicci osservati in epoche successive.

La prossima opportunità per mettere alla prova l’interpretazione in termini di stelle oscure potrebbe arrivare dagli oggetti ingranditi dalla lente gravitazionale. Quando un corpo massiccio si trova tra la Terra e una sorgente distante, la sua gravità incurva la luce della sorgente e può ingrandirla. Osservazioni migliori di questi oggetti dell’Universo primordiale, amplificati naturalmente, potrebbero fornire spettri più nitidi e rendere più facile stabilire se i candidati siano stelle insolite o galassie giovani.