A differenza degli umani, le stelle nascono già al massimo del loro peso. Il peso alla nascita di un bimbo varia di pochi etti, ma quello di una stella va da 1 decimo a 100 volte la massa del nostro Sole! Anche se gli astronomi sanno che le stelle hanno valori di massa molto variabili, sono ancora incerti quando si tratta di stabilire se esista un peso limite delle stelle, alla loro nascita.
Adesso gli astronomi, grazie al telescopio spaziale Hubble, hanno fatto il primo passo importante per definire un limite al peso massimo delle stelle. Studiando l’ammasso stellare più denso della nostra Galassia, l’ammasso Arches, hanno stabilito che le stelle al massimo si formano con una massa 150 volte quella del Sole.
Questi dati hanno portato gli astronomi più vicini alla comprensione del complicato processo della formazione stellare e hanno dato massima forza alla ipotesi che le stelle abbiano un limite di peso. Il conoscere quanto sia grande una stella quando si forma, può fornire degli indizi sul come nell’universo si creino le stelle. Le stelle di grande massa sono quelle che "muovono e scuotono" l’universo. Infatti esse producono gli elementi più pesanti del cosmo, cioè i materiali di costruzione delle nuove stelle e dei pianeti. Le stelle a grande massa possono anche essere le sorgenti di enormi esplosioni di raggi gamma, che inondano la galassia di radiazioni.
"Questo è un ammasso incredibile, che comprende una ricca collezione di alcune tra le più massicce stelle della galassia, ma sembra che ‘manchino’ stelle con massa superiore a 150 volte quella del nostro Sole" ha detto l’astronomo Donald F. Figer dello Space Telescope Science Institute di Baltimore, Md. "Le teorie ipotizzavano che le stelle più massicce risiedessero negli ammassi più massicci. Abbiamo esaminato uno degli ammassi più densi della nostra galassia, e abbiamo trovato che c’è un limite piuttosto netto ai valori di massa a cui si forma una stella.
"Le teorie standard predicono la presenza di 20-30 stelle nell’ammasso Arches con massa compresa tra 130 e 1.000 masse solari. Ma non ne abbiamo trovata neanche una. Se si fossero formate, le avremmo trovate. Se il numero previsto fosse stato di una o due e non ne avessimo trovate, avremmo potuto affermare che il nostro risultato era dovuto ad errore statistico".
Figer sta effettuando degli ulteriori studi per determinare il limite superiore della massa stellare anche in altri ammassi, come verifica dei propri risultati. Le sue conclusioni sono in accordo con gli studi statistici di ammassi stellari più piccoli nella nostra galassia e con le osservazioni di un ammasso denso, noto come R136 nella galassia la Grande Nube di Magellano, nostra vicina. Gli astronomi hanno scoperto che nemmeno in quel l’ammasso non sono state create stelle maggiori di 150 masse solari.
Gli astronomi sono indecisi su quanto possa divenire grande una stella prima di avere problemi di stabilità e quindi esplodere. Anche con i progressi della tecnologia, gli astronomi non sanno abbastanza circa i particolari dei processi di formazione delle stelle, per determinare un limite superiore della loro massa. Di conseguenza le teorie hanno previsto che le stelle possono avere un peso massimo compreso tra 100 e 1.000 volte la massa del nostro Sole. Stabilire un limite inferiore di peso per le stelle è stato più facile. Gli oggetti che hanno una massa inferiore ad un decimo di quella solare non sono grandi abbastanza per sostenere una fusione nucleare nel loro centro e splendere come una stella.
Arrivare a queste conclusioni è stato così difficile che Figer ha passato sette anni perplesso sui dati di Hubble. I risultati sono pubblicati nel numero del 10 Marzo della rivista Nature.
"Sapendo che delle affermazioni straordinarie richiedono delle prove straordinarie, mi sono grattato la testa a lungo cercando di immaginare le ragioni di un eventuale risultato sbagliato", ha affermato.
Figer ha usato la Near Infrared Camera e il Multi-Object Spectrometer di Hubble, per studiare centinaia di stelle che misurano da 6 a 130 masse solari. Sebbene Figer non abbia trovato stelle più grandi di 130 volte il Sole, ha fissato conservativamente il limite superiore a 150. L’ammasso Arches è piuttosto giovane, da circa 2 a 2.5 milioni di anni, ed è alla distanza di 25.000 anni luce dal centro della nostra galassia, un focolaio di formazione di stelle di grande massa. In questa regione di rumorosi sconvolgimenti, enormi nubi di gas si scontrano per formare delle stelle ciclopiche.
La telecamera ad infrarossi di Hubble è molto adatta ad analizzare Arches perché penetra nel nucleo polveroso delle nostre galassie e produce immagini nitide, permettendo al telescopio di vedere individualmente le stelle all’interno di un ammasso molto denso. Figer ha valutato le masse stellari misurando l’età dell’ammasso e la luminosità delle singole stelle. Per confermare i dati sulle masse e sulle abbondanze di elementi chimici e sull’età delle stelle, ha anche collaborato con Francisco Najarro dell’Instituto de Estructura de la Materia di Madrid, che ha costruito dei modelli particolareggiati.
Un ammasso deve soddisfare una lunga lista di requisiti, per essere utilizzato nel calcolo del limite superiore della massa. Deve essere abbastanza grande, circa 10.000 masse solari, per produrre stelle grandi a sufficienza per avvicinarsi al limite superiore. Non deve essere né troppo vecchio né troppo giovane. Se si sceglie un ammasso troppo vecchio – oltre 2.5 milioni di anni – questo comporta che molte stelle di grande massa sono già esplose come supernove. In un ammasso molto giovane – meno di 2 milioni di anni – molte stelle sono ancora avvolte nelle loro nubi di polvere e gli astronomi non le possono vedere.
Un altro fattore importante è la distanza dell’ammasso dalla terra. Gli astronomi debbono conoscere la distanza dell’ammasso per valutare con precisione la luminosità delle stella, un ingrediente chiave usato per determinare la sua massa. L’ammasso deve essere anche abbastanza vicino per permettere di vedere le stelle singolarmente. L’ammasso Arches è il solo nella nostra galassia che soddisfi questi requisiti, ha affermato Figer.
Arches vince in luminosità quasi ogni altro ammasso della galassia. Con una massa che equivale a più di 10.000 stelle come il nostro Sole, questo ammasso mostruoso è circa 10 volte più pesante dei tipici ammassi con stelle giovani, come l’ammasso di Orione, sparsi in tutta la Via Lattea. Se le nostre vicinanze galattiche fossero altrettanto dense di stelle, ci sarebbe più di 100.000 stelle a riempire lo spazio tra il Sole ed il vicino più prossimo, la stella Alpha Centauri, a 4.3 anni luce di distanza. Gli astronomi pensano che solo 1 ogni 10 milioni di stelle nella galassia è luminosa quanto le stelle dell’ammasso Arches. Almeno 12 delle stelle di Arches pesano circa 100 volte la massa del Sole.
Figer mette in guardia dal pensare che un limite superiore escluda la presenza di stelle più grandi di 150 masse solari. Queste stelle gigantesche, se esistono, possono essersi accresciute dopo la loro nascita fondendosi con altre stelle massicce. Per esempio la giovane stella Pistol, vicino al nostro centro galattico, è da 150 a 200 volte la massa del Sole.
Questa stella ciclopica potrebbe essere una stella "rinata". Sembra comunque anche fuori posto, perché abita in un vicinato di stelle vecchie. Una spiegazione, dice Figer, per spiegare questo apparente paradosso, potrebbe essere che Pistol sia una stella "rinata", formata dalla fusione di due stelle. La sua spiegazione non è solo una teoria. Gli astronomi hanno trovato stelle vecchie, che erano rinate attraverso la fusione con altre stelle, in vecchi ammassi stellari.
Pistol potrebbe anche essere parte di un sistema di doppia stella gigante, che appare come una singola stella gigante. Le due stelle non sono state viste separatamente, perché neanche il potere di risoluzione di Hubble è sufficiente.
Sistemi di stelle doppie, mettono in guardia gli astronomi, potrebbero essere la spiegazione di alcune delle stelle di maggior massa degli Archi. Questo significherebbe che il limite di massa più alto in Arches potrebbe essere minore di 150 masse solari, non certo maggiore.
Il prossimo passo di Figer sarà di focalizzarsi su altri ammassi, per controllare i suoi limiti di peso. Alcuni telescopi, incluso lo Spitzer Space Telescope, stanno cercando nuovi ammassi nella nostra galassia, la Via Lattea. Negli ultimi due anni, il numero di ammassi nella nostra galassia è raddoppiato, passando da poche centinaia a 500, ha affermato Figer. Molti ammassi nuovi sono entrati nel catalogo "Two Micron All Sky Survey (2MASS)". Figer ha già identificato circa 130 di questi nuovi ammassi come possibili candidati per il suo studio. La NASA ha riconosciuto l’importanza del lavoro di Figer, concedendogli un finanziamento di 5 anni, il Long Term Space Astrophysics award, che finanzierà la sua caccia alle stelle più massicce nella Via Lattea.