Galassie primordiali già ricche di elementi pesanti, ma con venti stellari più deboli del previsto

Le prime galassie non erano necessariamente semplici raccolte di gas incontaminato. Il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha osservato in tre giovani galassie elementi pesanti e indizi di gas arricchito che si muove verso l’esterno. Hubble, con la survey TEMPOS, studia invece stelle massicce relativamente vicine, nate in ambienti poveri di quegli elementi: un modo per mettere alla prova la fisica usata nei modelli delle galassie lontane. Le due osservazioni riguardano fenomeni diversi, ma aiutano a comporre lo stesso quadro. 110

Gas arricchito già nell’universo giovane

Le tre galassie osservate da Webb ci appaiono com’erano circa 520–650 milioni di anni dopo il Big Bang. Nel loro gas sono presenti elementi come carbonio, ossigeno e silicio. In astronomia sono detti anche metalli: il termine comprende tutti gli elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. La loro presenza indica che stelle precedenti avevano già prodotto e disperso nuovo materiale.

Gli indizi di gas arricchito in uscita suggeriscono che si stesse delineando presto un ciclo dei barioni: il gas alimenta la formazione stellare e una parte del materiale viene spinta di nuovo fuori dalla galassia. Osservare un deflusso, però, non dimostra che quel gas sia poi rientrato.

Il risultato riguarda anche la ricerca delle stelle di Popolazione III, la prima generazione, formatasi senza elementi pesanti. Il gas esaminato da Webb non è incontaminato: potrebbe conservare tracce chimiche di quelle stelle, ma una traccia non equivale a osservarle direttamente. Questo rende meno plausibile trovare popolazioni ancora prive di metalli nel gas sondato da queste osservazioni, non esclude che possano esistere altrove.

Hubble misura i venti delle stelle, non quelli delle galassie

TEMPOS ha raccolto spettri ultravioletti di 29 stelle massicce di tipo O in sei galassie nane vicine, tutte povere di elementi pesanti. I primi risultati indicano venti stellari inaspettatamente deboli negli ambienti meno ricchi di metalli. Sotto circa un decimo della metallicità del Sole, il calo potrebbe essere più brusco di quanto suggerisca un’estrapolazione graduale; sia la soglia sia l’entità del calo richiedono ulteriori verifiche. 161013

I venti stellari sono flussi di materia che partono dalle singole stelle: non sono i deflussi di gas su scala galattica osservati da Webb. Contribuiscono però alla perdita di massa delle stelle e al materiale immesso nell’ambiente circostante. Se i modelli ne sovrastimano la forza quando i metalli sono scarsi, potrebbero descrivere male l’evoluzione delle galassie giovani. TEMPOS offre una prova locale di questo ingrediente dei modelli, non una misura diretta delle stelle nelle galassie lontane di Webb né la dimostrazione di ciò che ne ha avviato i deflussi. 13

Perché l’ossigeno da solo può trarre in inganno

I venti spinti dalla radiazione dipendono dagli ioni metallici presenti nell’atmosfera stellare. TEMPOS rileva variazioni nell’assorbimento del ferro: perciò usare l’abbondanza di ossigeno nel gas di una galassia come scorciatoia per stimare la composizione rilevante per le sue stelle può essere fuorviante. Studi precedenti su galassie estremamente povere di metalli avevano già mostrato che le misure del ferro nelle stelle e quelle dell’ossigeno nel gas non implicano necessariamente le stesse proporzioni tra gli elementi. 346

Per interpretare le galassie complesse che Webb sta rivelando, gli astronomi devono quindi mettere alla prova sia le ipotesi sui venti stellari a bassa metallicità sia i rapporti tra i diversi elementi, insieme all’afflusso di gas, ai deflussi e all’arricchimento chimico. Le nuove osservazioni restringono le possibilità, ma non forniscono ancora un’unica spiegazione dimostrata dell’evoluzione delle prime galassie. 1410