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L'archeologo stellare
Lo scorso febbraio, Anna Frebel e i suoi colleghi hanno annunciato la scoperta di quella che potrebbe essere la stella più antica conosciuta. In una notte limpida, anche un astronomo dilettante potrebbe essere in grado di addestrare un potente telescopio su SMSS J031300.36-670839.3, situato nell'alone della Via Lattea.
SM0313, l'abbreviazione con cui è noto, ha una firma chimica insolita. Anche se probabilmente ha avuto origine in una delle prime galassie nane che si è formata subito dopo il Big Bang, non condivide alcuna caratteristica con le stelle presenti nelle galassie nane scoperte finora. Questo fatto ha lasciato perplessi gli astronomi. La Via Lattea, con ogni probabilità, sta divorando galassie nane, incorporando le loro stelle nel proprio alone, afferma Frebel, membro del MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research e assistente professore di fisica nella Divisione di Astrofisica.
Frebel, 34 anni, appartiene a una nuova generazione di astronomi che possono essere considerati archeologi stellari. Invece di setacciare strati di sporco alla ricerca di manufatti di civiltà passate, estraggono dal cielo la luce delle stelle antiche. Studiando quella luce, determinano la composizione chimica di quelle stelle e mettono insieme come si sono formati la nostra galassia attuale e gli elementi nella tavola periodica. Trovare una stella primitiva come SM0313 aggiunge un capitolo importante alla storia di come si sono sviluppati la galassia, l'universo e la vita stessa.
Alcune centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, le prime stelle si sono formate da nubi gassose costituite dai due elementi più leggeri, idrogeno ed elio, con tracce di litio. Nel tempo, i nuclei di questi elementi leggeri si sono fusi insieme nei nuclei infuocati di quelle stelle primordiali, creando elementi più pesanti come carbonio, ossigeno e ferro. Quando le stelle sono morte, esplodendo come supernovae, hanno espulso questi nuovi elementi nello spazio, arricchendo le nubi di gas da cui sono nate nuove stelle chimicamente più diverse. Man mano che le generazioni successive di stelle sono state create, sono diventate sempre più ricche di metalli, come gli astronomi chiamano tutti gli elementi oltre all'idrogeno e all'elio.
Frebel dice che le antiche stelle povere di metallo sparse tra le poche centinaia di miliardi di stelle più giovani della nostra galassia stanno semplicemente aspettando di essere trovate, come vecchie lattine di fagioli nella parte posteriore dell'armadio. Li analizza con un accessorio telescopico noto come spettrografo, che divide la luce della stella in un arcobaleno. Poiché ogni elemento assorbe la luce a una particolare lunghezza d'onda, può dedurre quali elementi sono presenti nell'atmosfera della stella osservando le precise sfumature che mancano nello spettro.
Determinare l'età di una stella, tuttavia, è difficile. Molto raramente, una stella antica contiene un elemento radioattivo come l'uranio, che consente agli astronomi di utilizzare una tecnica simile alla datazione al carbonio. Nel 2007, Frebel ha usato questo metodo per calcolare che una stella conosciuta come HE 1523-0901 aveva circa 13,2 miliardi di anni. Lei e i suoi colleghi sono abbastanza sicuri che provenga da una delle prime generazioni di stelle, perché l'universo stesso, a circa 13,8 miliardi di anni, è solo leggermente più vecchio. Ma per le stelle senza elementi radioattivi, la regola generale è che meno elementi sono, più vecchia è. Poiché i ricercatori hanno potuto ricavare l'abbondanza di soli quattro elementi in SM0313, Frebel afferma che molto probabilmente appartiene alla seconda generazione. (Sono stati anche sorpresi dalla relativa abbondanza di carbonio in una stella così antica, il che suggerisce che l'elemento era fondamentale non solo per l'emergere della vita ma anche nell'universo primordiale.)
Ciò che ha convinto Frebel che potrebbe essere la stella più antica conosciuta è che sembra essere priva di ferro. Nella scala della metallicità usata dagli astronomi, -1.0 significa che una stella ha un decimo del contenuto di ferro del nostro sole, -2.0 è un centesimo, e così via. Nel 2002, l'astronomo Norbert Christlieb ha riportato la scoperta di una stella la cui metallicità era -5,2; prima di difendere la sua tesi nel 2006, Frebel ha trovato una stella che è arrivata a -5.4. Con la scoperta di SM0313, che non ha affatto ferro rilevabile, Frebel e i suoi colleghi hanno stabilito un nuovo record a -7,1 o forse anche meno perché è stato possibile determinare solo un limite superiore.
Anna Frebel controlla i telescopi Magellan in un osservatorio in Cile.
Frebel ha iniziato la sua ricerca come studente universitario in fisica. Ha preso un anno di pausa dagli studi nella sua nativa Germania per fare ricerche astronomiche in Australia, dove ha avuto una vista del cielo che solo l'emisfero australe può fornire. Mentre era lì, incontrò Christlieb, allora dell'Università di Amburgo, poco dopo che aveva scoperto la stella -5,2. Ho capito subito che Anna non ha paura di esplorare territori sconosciuti e che non è una persona che si arrende facilmente, ricorda.
Dopo aver conseguito un dottorato di ricerca presso l'Australian National University e aver completato i postdoc presso l'Università del Texas e l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Frebel è entrato a far parte della facoltà del MIT nel 2012. Una delle principali attrattive è stata l'accesso dell'Istituto ad alcuni dei telescopi più potenti del mondo. L'anno scorso, ha trascorso 10 notti a raccogliere dati con i telescopi gemelli Magellan presso l'osservatorio di Las Campanas in Cile. (È tra coloro che offrono input nello spettrografo del nuovo Giant Magellan Telescope, che avrà sei volte la capacità di raccolta della luce dei più grandi telescopi di oggi.)
Nonostante il lungo viaggio verso questo remoto osservatorio nel deserto di Atacama, dice di sentirsi sempre ringiovanita dal cieli punteggiati di diamanti . Tutta la notte i suoi occhi sono incollati al computer che sta registrando i dati spettrali. Con il tempo dello strumento così prezioso, Frebel deve bilanciare le sue osservazioni in modo da poter ottenere dati sufficienti su tutte le sue stelle bersaglio. Le galassie nane sono così deboli che ci vogliono quasi 10 ore per raccogliere abbastanza fotoni, spiega; le stelle luminose dell'alone non richiedono la stessa esposizione. Quando il tempo non collabora, controlla la posta elettronica o si abbandona al suo hobby dell'astrofotografia, poiché i cieli nuvolosi sono ideali per le foto. Analizza i dati solo dopo essere tornata a casa.
Cresciuto nella piccola città di Göttingen, Frebel riusciva sempre a vedere le stelle nelle notti limpide, non così facile a Boston, con i suoi cieli arancioni. La sua storia d'amore con le star è iniziata presto, ma da adolescente ha seriamente preso in considerazione l'idea di diventare una stilista. Sebbene non avesse una formazione formale, disegnava e cuciva molti dei suoi vestiti, spesso duplicando abiti fantasiosi che le piacevano o inventandosi da soli. Alla fine, l'astronomia ha vinto perché, dice, l'amavo di più. Potrei mantenere la moda come hobby. Ora, invece di lavorare con la mente e le mani per ricreare il modello di un vestito, immagina come avrebbe potuto apparire l'universo primordiale e raccoglie dati per testare la sua idea. Penso che la mia sartoria mi abbia fornito uno strumento formativo per sviluppare idee e poi perseguirle rigorosamente, dice.
Frebel è desideroso di condividere queste idee con il pubblico; Princeton University Press prevede di pubblicare il suo libro di divulgazione scientifica tedesca, Alla ricerca delle stelle più antiche , in traduzione. E lavora felicemente con astronomi di ogni genere. Fino a poco tempo fa, i teorici e gli osservatori nel campo delle prime stelle hanno lavorato in gran parte senza molti contatti, afferma Volker Bromm, professore di astronomia dell'Università del Texas e collaboratore sin dai tempi del post-dottorato di Frebel. Anna è unica tra gli osservatori nel suo desiderio di interagire con i teorici, incorporare le sue osservazioni nel contesto teorico generale e guidarli verso previsioni empiriche rilevanti.
Le osservazioni degli archeologi stellari stanno sicuramente scuotendo le ipotesi teoriche, come l'idea che tutte le prime stelle siano esplose in massicce esplosioni che hanno vomitato elementi pesanti come il ferro. Frebel e i suoi colleghi credono che il progenitore di SM0313 debba essere uscito come una supernova sottomessa. Solo un'esplosione a bassa energia produrrebbe elementi più leggeri come il carbonio, ma non riuscirebbe a espellere elementi più pesanti come il ferro prodotto nel nucleo della stella originale. Gli astronomi cercano una dozzina di altre stelle di seconda generazione per sostenere questa nuova idea.
A maggio, Frebel e il suo team hanno pubblicato la loro scoperta della galassia meno evoluta chimicamente trovata finora: Segue 1, situata a 75.000 anni luce dalla Terra. Con solo un migliaio di stelle, tutte povere di metalli, questa debole galassia potrebbe darci uno sguardo più chiaro sulle condizioni dell'universo primordiale. Ma un ulteriore studio delle sue stelle deboli e lontane richiederà un po' di lavoro.
Tuttavia, i nostri telescopi stanno solo migliorando. Le probabilità di trovare gli antichi vicini e lontani e di svelare i loro segreti sembrano essere a favore di Frebel.
Nota dell'editore: in origine è stato riferito che una stella nota come SM0313, scoperta da Anna Frebel e colleghi nell'alone della Via Lattea, supporta la teoria secondo cui la nostra galassia è cresciuta banchettando con i suoi vicini. Mentre altre prove suggeriscono che la Via Lattea sta facendo proprio questo, l'insolita firma chimica di SM0313 è diversa da quella delle stelle nelle galassie nane vicine scoperte finora, rendendo questa stella inadatta per indagare sull'evoluzione della Via Lattea.