Evidenza per la prima generazione di stelle

AUTORE: Avi Loeb – 22 Aprile 2026 – Vai all’articolo originale LINK

Illustrazione schematica del progenitore di un buco nero supermassiccio sotto forma di una stella supermassiccia. Dopo che l’accrezione di gas nella stella supermassiccia termina, la stella si contrae, accende la fusione dell’idrogeno e si riespande in una fase tardiva di instabilità. La perdita di massa guidata dalla pulsazione procede quindi attraverso episodi di espulsione discreti che rimuovono il materiale dell’involucro debolmente legato. Le conchiglie precedenti si espandono a grandi raggi, mentre l’ultima espulsione pre-collasso rimane compatta e densa, creando l’ambiente circumstellare immediato che spiega i dati del telescopio Webb sulla popolazione osservata di ‘piccole macchie rosse’. I materiali espulsi portano un modello di abbondanza caratteristico che è coerente con le osservazioni spettroscopiche effettuate dal telescopio Webb. La stella supermassiccia poi continua verso il collasso attraverso un’instabilità relativistica generale dovuta alla gravità di Einstein e alla fine si trasforma in un seme di buco nero pesante per un quasar. (Credito immagine: Devesh Nandal et al. 2026)

Due nuovi articoli oggi forniscono prove per la prima generazione di stelle, formate esclusivamente dal gas primordiale di idrogeno ed elio rimasto dal Big Bang. Le stelle di mezza età come il Sole riciclano materiale che è già stato elaborato attraverso la fusione nucleare negli interni delle stelle. Tuttavia, il materiale primordiale che ha dato vita alle prime stelle non conteneva elementi pesanti. Di conseguenza, non si raffreddò in modo efficiente e si condensò in stelle massicce. Le prime stelle con masse superiori a dieci masse solari avevano una temperatura superficiale fino a 10⁵ gradi e agivano come efficienti fabbriche di radiazione ultravioletta.

Questa era una previsione teorica che ho derivato con i miei studenti e postdoc all’Università di Harvard trent’anni fa. Le prime pubblicazioni includevano un articolo, accessibile qui, che ho co-autore con il mio ex postdoc Volker Bromm e Rolf Kudritzki nel 2001. I nostri calcoli hanno dimostrato che la radiazione ultravioletta delle prime stelle avrebbe spezzato gli atomi di idrogeno e elio nelle loro vicinanze, risultando nell’emissione di una linea spettrale distintiva da un ione di elio monocarico a una lunghezza d’onda di 0,1640 micrometri, etichettata come He II λ1640. Le previsioni teoriche della mia ricerca sono state riassunte in due libri di testo che ho pubblicato un decennio dopo, intitolati: “Come si sono formate le prime stelle e galassie?” e “Le prime galassie nell’universo“.

Recenti osservazioni spettroscopiche effettuate dal Telescopio Webb hanno rilevato l’emissione di una forte linea spettrale He II λ1640 nelle vicinanze di una galassia primordiale, etichettata GN-z11, a uno spostamento verso il rosso cosmologico di z=10.6. Questa galassia esisteva 13,4 miliardi di anni fa, solo 400 milioni di anni dopo il Big Bang. Nessun elemento pesante è stato identificato nel suo spettro. Le proprietà della sorgente di righe spettrali, etichettata come Ebe, possono essere spiegate da un ammasso di stelle di prima generazione. Un nuovo articolo, pubblicato qui, studia una fonte alternativa per la radiazione ultravioletta sotto forma di un buco nero supermassiccio in accrescimento. Gli autori dimostrano che un ammasso stellare con una massa totale di 10⁵ masse solari può spiegare i dati in modo più naturale. Un tale ammasso di stelle di prima generazione costituisce il limite di ciò che ci si aspetta nei calcoli teorici risalenti al mio lavoro con Bromm e Kudritzki.

Il mio interesse per questo argomento è iniziato già nel 1994, poco dopo il mio arrivo come docente junior ad Harvard, quando pubblicai un articolo — accessibile qui — con Fred Rasio, suggerendo che i progenitori dei primi buchi neri supermassicci nei centri delle galassie sono stelle supermassicce. Il nostro modello suggeriva che, a causa di un raffreddamento inefficiente, un ammasso di gas primordiale si sarebbe genericamente condensato al centro delle prime galassie senza frammentarsi in stelle a bassa massa. Il collasso di questa nube primordiale darebbe origine a una stella supermassiccia che vive per circa un milione di anni e alla fine collassa in un seme di buco nero quasar. La popolazione primordiale di quasar è nota per essere buchi neri che accrescono gas al centro delle galassie. I quasar luminosi raggiunsero il picco di abbondanza nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang.

Altre osservazioni del telescopio Webb rivelano l’esistenza di una popolazione di ‘piccole macchie rosse’, nuclei galattici compatti e rossastri che esistevano durante l’era della formazione dei quasar. Potrebbero questi `piccoli punti rossi’ essere i semi dei buchi neri dei quasar? Questa era infatti la proposta che abbiamo fatto in un articolo che ho recentemente pubblicato in collaborazione con Fabio Pacucci, accessibile qui.

Ma c’è un altro nuovo articolo a cui ho co-firmato oggi, disponibile qui, guidato dal mio postdoc Devesh Nandal. Il documento spiega che le proprietà spettrali dei ‘piccoli punti rossi’ richiedono gas denso vicino alla sorgente, tuttavia l’origine fisica di quella struttura simile a un bozzolo rimane poco chiara. Il nostro articolo dimostra che la perdita di massa episodica tardiva dalle stelle supermassicce porta alle necessarie culle di gas denso.

Dopo che l’accrezione di gas nella stella supermassiccia termina, la stella si contrae, accende la combustione dell’idrogeno e si riespande in una fase tardiva di instabilità. La perdita di massa indotta dalla pulsazione procede quindi attraverso episodi di espulsione discreti che rimuovono il materiale dell’involucro debolmente legato. Le shell precedenti si espandono a grandi raggi, mentre l’espulsione finale rimane compatta e densa, impostando l’ambiente circumstellare immediato rilevante per la fase del “piccolo punto rosso”. I detriti portano un modello di abbondanza caratteristico che è coerente con i dati spettroscopici del telescopio Webb. La stella supermassiccia poi continua verso un’instabilità relativistica generale e infine collassa in un seme di buco nero pesante a causa della gravità di Einstein.

Il nostro articolo esamina cinque modelli con diverse abbondanze di elementi pesanti, tutti con masse progenitrici dell’ordine di 10⁵ masse solari. Abbiamo seguito l’evoluzione di queste stelle supermassicce dopo che hanno smesso di accrescere gas con calcoli delle pulsazioni radiali e diagnosi di stabilità relativistica generale. La perdita di massa durante le fasi finali dell’evoluzione non avviene come un vento costante, ma attraverso episodi discreti di espulsione in modalità strane. Nel caso del gas quasi puro, ci sono stati quattro episodi tardivi che sono durati da 41 a 282 anni e hanno espulso da 10 a 348 masse solari ciascuno, per una perdita totale di 480 a 1.000 masse solari. L’episodio finale da solo contribuisce al 73% della perdita di massa e lascia dietro di sé un guscio compatto e opaco che si estende fino a un anno luce, riproducendo i densi bozzoli di gas nei ‘piccoli punti rossi’.

I materiali espulsi finali sono dominati da idrogeno e elio ma sono anche ricchi di azoto, come osservato nei “piccoli puntini rossi”. Una stella supermassiccia raggiunge l’instabilità relativistica generale a un’età di circa un milione di anni e alla fine collassa nel giro di poche ore, mantenendo quasi tutta la sua massa.

Tutto sommato, questi calcoli dimostrano che le stelle supermassicce forniscono un’origine fisicamente motivata per la struttura compatta a forma di bozzolo associata ai “piccoli punti rossi”, rimanendo al contempo i progenitori naturali dei semi di buchi neri massicci per i quasar.
Ci sono voluti 32 anni per confermare la mia prima congettura con Fred Rasio su questo argomento, ma il viaggio è stato sicuramente utile. Considero 32 anni come un tempo di attesa scontato. Dopotutto, secondo l’Antico Testamento, gli Israeliti passarono 40 anni vagando nel deserto prima di raggiungere la terra promessa. Non c’è dubbio che la tecnologia funzioni per accelerare i progressi, come nel caso dei dati del telescopio Webb. Se gli Israeliti avessero avuto accesso ai sistemi GPS, avrebbero raggiunto la Terra Promessa in pochi mesi.