Fino a poco tempo fa si pensava che le fusioni di stelle di neutroni fossero l’unico modo per produrre elementi pesanti (più pesanti dello zinco). Queste fusioni comportano il mashup dei resti di due stelle massicce in un sistema binario.
Ma sappiamo che gli elementi pesanti furono prodotti per la prima volta non molto tempo dopo il Big Bang, quando l’Universo era davvero giovane. A quel tempo, non era passato abbastanza tempo perché si fossero verificate fusioni di stelle di neutroni. Pertanto, era necessaria un’altra fonte per spiegare la presenza dei primi elementi pesanti nella Via Lattea.
La scoperta di un’antica stella SMSS J2003-1142 nell’alone della Via Lattea – che è la regione approssimativamente sferica che circonda la galassia – sta fornendo la prima prova di un’altra fonte di elementi pesanti, tra cui uranio e forse oro.
Nella nostra ricerca pubblicata su Nature, mostriamo che gli elementi pesanti rilevati in SMSS J2003-1142 sono stati probabilmente prodotti, non dalla fusione di stelle di neutroni, ma attraverso il collasso e l’esplosione di una stella in rapida rotazione con un forte campo magnetico e una massa di circa 25 volte quella del Sole.
Chiamiamo questo fenomeno “ipernova magnetotazionale”.
Alchimia stellare
È stato recentemente confermato che le fusioni di stelle di neutroni sono effettivamente una fonte di elementi pesanti nella nostra galassia. Come suggerisce il nome, questo avviene quando due stelle di neutroni in un sistema binario si fondono in un evento energetico chiamato “kilonova”. Questo processo produce elementi pesanti.
Tuttavia, i modelli esistenti dell’evoluzione chimica della nostra galassia indicano che le sole fusioni di stelle di neutroni non avrebbero potuto produrre i modelli specifici di elementi che vediamo in più stelle antiche, tra cui SMSS J2003-1142.
Una reliquia dell’universo primordiale
SMSS J2003-1142 è stato osservato per la prima volta nel 2016 dall’Australia e poi di nuovo nel settembre 2019 utilizzando un telescopio presso l’Osservatorio europeo meridionale in Cile.
Da queste osservazioni, abbiamo studiato la composizione chimica della stella. La nostra analisi ha rivelato un contenuto di ferro circa 3000 volte inferiore a quello del sole. In altre parole, SMSS J2003-1142 è chimicamente primitivo.
Gli elementi che abbiamo osservato in esso sono stati probabilmente prodotti da un’unica stella madre, subito dopo il Big Bang.
Segni di una stella collassata in rapida rotazione
La composizione chimica di SMSS J2003-1142 può rivelare la natura e le proprietà della sua stella madre. Particolarmente importanti sono le sue quantità insolitamente elevate di azoto, zinco ed elementi pesanti tra cui europio e uranio.
Gli alti livelli di azoto in SMSS J2003-1142 indicano che la stella madre ha avuto una rapida rotazione, mentre alti livelli di zinco indicano che l’energia dell’esplosione era circa dieci volte quella di una supernova “normale”, il che significa che sarebbe stata un’ipernova. Inoltre, grandi quantità di uranio avrebbero richiesto la presenza di molti neutroni.
Gli elementi pesanti che possiamo osservare oggi in SMSS J2003-1142 sono tutte prove che questa stella è stata prodotta come risultato di una prima esplosione di un’ipernova magnetorotazionale.
E il nostro lavoro ha quindi fornito la prima prova che gli eventi di ipernova magnetorotazionale sono una fonte di elementi pesanti nella nostra galassia (insieme alle fusioni di stelle di neutroni).
E le fusioni di stelle di neutroni?
Ma come facciamo a sapere che non sono state solo le fusioni di stelle di neutroni a portare agli elementi particolari che troviamo in SMSS J2003-1142? Ci sono alcune ragioni per questo.
Nella nostra ipotesi, una singola stella madre avrebbe prodotto tutti gli elementi osservati in SMSS J2003-1142. D’altra parte, ci sarebbe voluto molto, molto più tempo per ottenere gli stessi elementi solo attraverso fusioni di stelle di neutroni. Ma questa volta non sarebbe nemmeno esistito così presto nella formazione della galassia quando questi elementi sono stati creati.
Inoltre, le fusioni di stelle di neutroni producono solo elementi pesanti, quindi dovrebbero essersi verificate fonti aggiuntive come una normale supernova per spiegare altri elementi pesanti, come il calcio, osservati in SMSS J2003-1142. Questo scenario, per quanto possibile, è più complicato e quindi meno probabile.
Il modello delle ipernove magnetotazionali non solo fornisce un miglior adattamento ai dati, ma può anche spiegare la composizione di SMSS J2003-1142 attraverso un singolo evento. Potrebbero essere fusioni di stelle di neutroni, insieme a supernove magnetorotazionali, che potrebbero spiegare all’unisono come sono stati creati tutti gli elementi pesanti nella Via Lattea.
