Gli astronomi hanno intravisto la struttura interna di una stella morente in un raro tipo di esplosione cosmica chiamata “supernova estremamente spogliata“.
In un articolo pubblicato su Nature , Steve Schulze della Northwestern University negli Stati Uniti e i suoi colleghi descrivono la supernova 2021yfj e un denso guscio di gas che la circonda.
Le loro scoperte confermano le nostre teorie attuali su ciò che accade all’interno delle stelle massicce alla fine della loro vita e su come queste abbiano plasmato i mattoni fondamentali dell’universo che vediamo oggi.
Come le stelle creano gli elementi
Le stelle sono alimentate dalla fusione nucleare, un processo in cui atomi più leggeri vengono compressi insieme per formare atomi più pesanti, rilasciando energia.
La fusione nucleare avviene in fasi durante la vita di una stella. In una serie di cicli, dapprima l’idrogeno (l’elemento più leggero) si fonde in elio, seguito dalla formazione di elementi più pesanti come il carbonio. Le stelle più massicce proseguono poi con la fusione di neon, ossigeno, silicio e infine ferro.
Ogni ciclo di combustione è più rapido del precedente. Il ciclo dell’idrogeno può durare milioni di anni, mentre quello del silicio si conclude in pochi giorni.
Man mano che il nucleo di una stella massiccia continua a bruciare, il gas esterno al nucleo acquisisce una struttura stratificata, in cui gli strati successivi registrano la composizione dovuta alla progressione dei cicli di combustione.
Mentre tutto ciò si svolge nel nucleo della stella, quest’ultima espelle anche gas dalla sua superficie, trasportato nello spazio dal vento stellare. Ogni ciclo di fusione crea un guscio di gas in espansione contenente una diversa miscela di elementi.
Collasso del nucleo
Cosa succede a una stella massiccia quando il suo nucleo è pieno di ferro ? L’enorme pressione e temperatura provocano la fusione del ferro, ma a differenza della fusione di elementi più leggeri, questo processo assorbe energia anziché rilasciarla.
Il rilascio di energia derivante dalla fusione nucleare è ciò che ha sostenuto la stella contro la forza di gravità, quindi ora il nucleo di ferro collasserà. A seconda delle sue dimensioni iniziali, il nucleo collassato si trasformerà in una stella di neutroni o in un buco nero.
Il processo di collasso crea un “rimbalzo” che proietta energia e materia verso l’esterno. Questo fenomeno è chiamato esplosione di supernova a collasso del nucleo.
L’esplosione illumina gli strati di gas espulsi in precedenza dalla stella, permettendoci di osservarne la composizione. In tutte le supernove conosciute fino ad ora, questo materiale era costituito da idrogeno, elio o carbonio, strati prodotti nei primi due cicli di combustione nucleare.
Gli strati interni (quelli di neon, ossigeno e silicio) si formano tutti in poche centinaia di anni prima dell’esplosione della stella, il che significa che non hanno il tempo di viaggiare molto lontano da essa.
Un mistero esplosivo
Ma è proprio questo che rende la nuova supernova SN2021yfj così interessante. Schulze e i suoi colleghi hanno scoperto che il materiale esterno alla stella proviene dallo strato di silicio, l’ultimo strato appena sopra il nucleo di ferro, che si forma in un arco di tempo di pochi mesi.
Il vento stellare deve aver espulso tutti gli strati fino a quello di silicio prima che avvenisse l’esplosione. Gli astronomi non riescono a capire come un vento stellare possa essere abbastanza potente da fare una cosa del genere.
Lo scenario più plausibile è che sia stata coinvolta una seconda stella. Se un’altra stella orbitasse attorno a quella esplosa, la sua gravità potrebbe aver rapidamente strappato via lo strato profondo di silicio.
Le stelle che esplodono hanno plasmato l’universo così come lo conosciamo oggi.
Qualunque sia la spiegazione, questa visione delle profondità della stella ha confermato le nostre teorie sui cicli di fusione nucleare all’interno delle stelle massicce.
Perché è importante? Perché dalle stelle provengono tutti gli elementi.
Il carbonio e l’azoto vengono prodotti principalmente da stelle di massa inferiore, simili al nostro Sole. Alcuni elementi pesanti, come l’oro, vengono prodotti negli ambienti particolari di collisioni e fusioni di stelle di neutroni.
Tuttavia, l’ossigeno e altri elementi come il neon, il magnesio e lo zolfo provengono principalmente dalle supernove a collasso del nucleo.
Siamo ciò che siamo grazie ai meccanismi interni delle stelle. La costante produzione di elementi nelle stelle fa sì che l’universo cambi continuamente. Le stelle e i pianeti formatisi in tempi recenti sono molto diversi da quelli formatisi in epoche precedenti.
Quando l’universo era più giovane, conteneva molti meno elementi “interessanti”. Tutto funzionava in modo leggermente diverso: le stelle bruciavano a temperature più elevate e con maggiore velocità, e i pianeti potrebbero essersi formati in misura minore, in modo diverso, o non essersi formati affatto.
La quantità di materiale che esplode nelle supernove e quello che espelle nello spazio interstellare è una questione cruciale per comprendere perché il nostro Universo e il nostro mondo sono come sono.
Abstract
Le stelle sono inizialmente alimentate dalla fusione dell’idrogeno in elio. Queste ceneri servono da combustibile in una serie di fasi, trasformando le stelle massicce in una struttura di gusci. Questi sono composti da idrogeno primordiale all’esterno e composizioni progressivamente più pesanti all’interno, che si prevede siano dominate da He, C/O, O/Ne/Mg e O/Si/S . Il silicio e lo zolfo si fondono formando ferro, causando il collasso del nucleo e, di conseguenza, un’esplosione di supernova o la formazione di un buco nero. Stelle spogliate, in cui lo strato esterno di idrogeno è stato rimosso e lo strato interno ricco di elio o persino lo strato di carbonio/ossigeno sottostante è esposto, forniscono prove di questa struttura a guscio e del meccanismo di produzione di elementi cosmici che essa riflette. I tipi di supernova che si originano da stelle spogliate immerse in gusci di materiale circumstellare (CSM) confermano questo scenario. Tuttavia, mancano prove dirette dell’esistenza degli strati più interni, responsabili della produzione di elementi più pesanti dell’ossigeno. In questo studio, riportiamo la scoperta della supernova (SN) 2021yfj, derivante da una stella spogliata fino al suo strato ricco di O/Si/S. Osserviamo direttamente uno spesso e massiccio strato ricco di Si/S, espulso dalla stella progenitrice poco prima dell’esplosione della supernova. Esporre un tale strato stellare interno è teoricamente difficile e probabilmente richiede un meccanismo di perdita di massa raramente osservato. Questo raro evento di supernova rivela stadi avanzati di evoluzione stellare, con la formazione di elementi più pesanti, tra cui silicio, zolfo e argon, rispetto a quelli rilevati sulla superficie di qualsiasi classe conosciuta di stelle massicce.
Materials provided by The Conversation. Original written by Orsola De Marco, Professor of Astrophysics, Macquarie University. Note: Content may be edited for style and length.
Steve Schulze, Avishay Gal-Yam, Luc Dessart, Adam A. Miller, Stan E. Woosley, Yi Yang, Mattia Bulla, Ofer Yaron, Jesper Sollerman, Alexei V. Filippenko, K-Ryan Hinds, Daniel A. Perley, Daichi Tsuna, Ragnhild Lunnan, Nikhil Sarin, Seán J. Brennan, Thomas G. Brink, Rachel J. Bruch, Ping Chen, Kaustav K. Das, Suhail Dhawan, Claes Fransson, Christoffer Fremling, Anjasha Gangopadhyay, Ido Irani, Anders Jerkstrand, Nikola Knežević, Doron Kushnir, Keiichi Maeda, Kate Maguire, Eran Ofek, Conor M. B. Omand, Yu-Jing Qin, Yashvi Sharma, Tawny Sit, Gokul P. Srinivasaragavan, Nora L. Strothjohann, Yuki Takei, Eli Waxman, Lin Yan, Yuhan Yao, WeiKang Zheng, Erez A. Zimmerman, Eric C. Bellm, Michael W. Coughlin, Frank J. Masci, Josiah Purdum, Mickaël Rigault, Avery Wold, Shrinivas R. Kulkarni. Extremely stripped supernova reveals a silicon and sulfur formation site. Nature, 2025; 644 (8077): 634 DOI: 10.1038/s41586-025-09375-3
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