L’universo aveva appena 100 milioni di anni quando le prime stelle si sono già accese. Molto presto, la materia oscura ha amplificato le disomogeneità nella struttura dell’universo, in modo che ci fossero aree con una maggiore concentrazione di idrogeno. Questi si sono agglomerati e, come accade ancora oggi, si è formata una stella. Questi primissimi fari cosmici, che oggi vengono chiamati “Popolazione III”, sono difficilmente paragonabili al nostro sole. Devono essere stati composti principalmente da idrogeno ed elio, se non altro perché non c’erano altri elementi nell’universo primordiale. È così che queste stelle dovrebbero essere riconoscibili: lo spettro di una stella ci dice la sua struttura. Al contrario, circa l’1,8% della massa del nostro Sole è costituito da elementi pesanti. A causa della minore massa dei componenti, tuttavia, una stella di Popolazione III doveva essere molto più grande del Sole: si stima che le prime stelle pesassero almeno 100 masse solari. Bruciavano velocemente e a caldo e quindi potrebbero essersi estinti da tempo in una supernova. Tuttavia, è possibile osservarli: In galassie lontane, la cui luce impiega così tanto tempo per raggiungerci che possiamo guardare in profondità nel passato. Almeno questo è ciò che sperano gli astronomi, perché finora la loro ricerca non ha avuto successo.

Ma tracce della Popolazione III si trovano anche altrove. Analizzando uno dei quasar più distanti conosciuti con il telescopio Gemini Nord, gli astronomi ritengono di aver identificato i resti dell’esplosione di una stella di prima generazione. Utilizzando un nuovo metodo per determinare gli elementi chimici nelle nubi che circondano il quasar, hanno trovato una composizione molto insolita: il materiale conteneva una quantità di ferro più che decuplicata rispetto al magnesio, rispetto al rapporto di questi elementi nel nostro Sole. Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile per questa sorprendente caratteristica sia che il materiale sia stato lasciato da una stella di prima generazione esplosa come supernova instabile a coppie. Queste versioni straordinariamente potenti delle esplosioni di supernova non sono mai state osservate, ma si pensa che pongano fine alla vita di stelle giganti con masse comprese tra 150 e 250 volte quella del Sole.

Le esplosioni di supernove instabili a coppie si verificano quando i fotoni al centro di una stella si trasformano spontaneamente in elettroni e positroni, la controparte antimateria dell’elettrone con carica positiva. Questa trasformazione riduce la pressione di radiazione all’interno della stella in modo che la gravità possa essere superata, portando al collasso e alla successiva esplosione. A differenza di altre supernove, questi eventi drammatici non lasciano dietro di sé resti stellari, come una stella di neutroni o un buco nero, ma espellono tutto il loro materiale nell’area circostante. Ci sono solo due modi per trovare prove di questi eventi. Il primo è quello di catturare una supernova instabile a coppie quando si verifica, una coincidenza altamente improbabile. L’altro è identificare la loro firma chimica dal materiale che espellono nello spazio interstellare. Per la loro ricerca, gli astronomi hanno esaminato i risultati di un’osservazione precedente. Uno spettrografo scompone la luce emessa dagli oggetti celesti nelle sue singole lunghezze d’onda, che forniscono informazioni sugli elementi contenuti negli oggetti. Tuttavia, ricavare le quantità dei singoli elementi è un compito difficile perché la luminosità di una linea in uno spettro dipende da molti altri fattori oltre all’abbondanza dell’elemento.

Due coautori dell’analisi, Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima dell’Università di Tokyo, hanno affrontato questo problema sviluppando un metodo che utilizza l’intensità delle lunghezze d’onda nello spettro di un quasar per stimare l’abbondanza degli elementi presenti. Analizzando lo spettro del quasar con questo metodo, i colleghi hanno scoperto un rapporto magnesio/ferro straordinariamente basso. “Per me era ovvio che la supernova candidata sarebbe stata una supernova instabile a coppie di una stella di Popolazione III, in cui l’intera stella esplode senza lasciare un resto”, ha detto Yoshii. “Mi ha fatto piacere e mi ha un po’ sorpreso che una supernova instabile a coppie di una stella con una massa circa 300 volte quella del Sole abbia prodotto un rapporto magnesio/ferro coerente con il basso valore che abbiamo ricavato per il quasar”.

La ricerca di prove chimiche di una precedente generazione di stelle massicce di Popolazione III è già stata condotta da altri ricercatori tra le stelle dell’alone della Via Lattea e nel 2014 è stata presentata almeno un’identificazione preliminare. Tuttavia, Yoshii e i suoi colleghi ritengono che il nuovo risultato fornisca la firma più chiara di una supernova instabile a coppie, basata sul rapporto di abbondanza magnesio-ferro estremamente basso in questo quasar. Se si tratta effettivamente di una delle prime stelle e dei resti di una supernova instabile a coppie, questa scoperta contribuirà a completare il quadro di come la materia dell’Universo si è evoluta fino a diventare ciò che è oggi, compresi noi. Per verificare questa interpretazione in modo più approfondito, sono necessarie molte altre osservazioni per vedere se altri oggetti presentano caratteristiche simili.