Così si congelano le molecole negli embrioni stellari

Il nucleo pre-stellare L1544, visibile in basso a sinistra in questa immagine di una porzione della Nube molecolare del Toro ottenuta con il telescopio spaziale Herschel nel lontano infrarosso. Crediti: Esa / Herschel / Spire

La nascita delle stelle è un processo turbolento che, nelle galassie dell’universo odierno, avviene all’interno delle vaste nubi molecolari che permeano gli spazi interstellari. È qui che il gas, arricchito da una piccola ma importante percentuale di polvere cosmica, si condensa intorno a densi “grumi” pre-stellari per poi collassare sotto la sua stessa gravità: si forma così un disco di accrescimento e, al centro, un embrione stellare – quello che gli astronomi chiamano protostella.

Lo scenario generale è ormai chiaro, eppure tanti piccoli aspetti sono ancora avvolti nel mistero: per esempio le primissime fasi di questo processo, quando la nube di gas si sta contraendo – appiattendosi al contempo – ma non si è ancora formata una protostella. In questo stadio, le basse temperature consentono la formazione di uno spesso mantello ghiacciato che avvolge i granelli di polvere, preservando così una serie di specie chimiche – tra cui l’acqua e svariate molecole organiche, precursori delle molecole prebiotiche fondamentali per la vita come la conosciamo sulla Terra – le quali andranno poi a far parte di eventuali pianeti che prenderanno forma dal disco protoplanetario evolutosi intorno alla giovane stella.

Nella comprensione di questi fenomeni viene in aiuto Alma, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, che dalle Ande cilene scruta il cielo per svelare dettagli senza precedenti di alcuni degli oggetti più freddi del cosmo, come i nuclei pre-stellari da cui vengono poi alla luce le stelle.

«Gli studi sui nuclei pre-stellari nelle nubi vicine hanno fornito indizi sulla loro struttura fisica e chimica, ma cosa succede proprio al centro non era ancora chiaro», commenta Paola Caselli del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Mpe) vicino a Monaco, in Germania, prima autrice di un nuovo studio pubblicato su The Astrophysical Journal. Il lavoro, a cui hanno partecipato anche Daniele Galli e Marco Padovani dell’Inaf, è basato su osservazioni effettuate con Alma di L1544, un nucleo pre-stellare a circa 450 anni-luce dalla Terra, nella Nube molecolare del Toro.

Con questi dati, il team guidato da Caselli ha analizzato quel che accade entro duemila unità astronomiche – circa trecento miliardi di chilometri – dal luogo di nascita di un futuro sistema stellare. Si tratta di una regione dieci volte più estesa di quella occupata oggi, nel Sistema solare, dalla fascia di Kuiper e dal cosiddetto “disco sparso”, che raccoglie comete e altri piccoli corpi ghiacciati, residui della formazione dei pianeti 4,6 miliardi di anni fa.

È qui che le ricercatrici e i ricercatori hanno trovato prove del congelamento di quasi tutte le specie chimiche sui grani di polvere presenti nelle zone centrali della nube. «Abbiamo potuto dimostrare che le molecole pre-stellari vengono “immagazzinate nel ghiaccio” prima della formazione di un sistema stellare simile al nostro», spiega Jaime Pineda, ricercatore presso Mpe e secondo autore dell’articolo.

L’emissione di ammoniaca deuterata (NH2D) osservata con Alma nel nucleo pre-stellare L1544. Il disco nero in basso a sinistra indica la risoluzione angolare del radiotelescopio; la barra in basso a destra indica la scala spaziale (mille unità astronomiche). Crediti: Mpe/Alma

Già in passato, altre osservazioni avevano mostrato che molecole a base di carbonio (C) e ossigeno (O), in particolare il monossido di carbonio (CO), tendono a esaurirsi nella componente gassosa dei nuclei pre-stellari, essendo presenti prevalentemente in forma ghiacciata. Ad oggi, però, non si era osservato lo stesso fenomeno per quanto riguarda molecole a base di azoto (N) come l’ammoniaca (NH3) e i suoi isotopologhi deuterati – varietà della molecola di ammoniaca in cui al posto di uno o più degli atomi di idrogeno (H) c’è la sua controparte più pesante, il deuterio (D).

Le nuove osservazioni di L1544 mostrano una concentrazione di polvere al centro del nucleo pre-stellare, accompagnata da ammoniaca deuterata – molecola composta da azoto e idrogeno, dove un atomo di idrogeno è sostituito da un atomo di deuterio (NH2D). Per la prima volta, le osservazioni hanno fornito prove di un congelamento quasi completo: entro duemila unità astronomiche dal centro, il 99,99 per cento delle molecole e degli atomi più pesanti dell’elio scompaiono dal gas e si condensano sui granelli di polvere.

«L1544 è una condensazione che presenta indicazioni di contrazione gravitazionale e un profilo di densità fortemente concentrato nella parte centrale: per questo è il target ideale per osservare e studiare le fasi iniziali del processo di formazione stellare», racconta a Media Inaf  Daniele Galli, astronomo Inaf a Firenze e co-autore del nuovo studio. «Congelando gli elementi pesanti nella sua parte centrale più densa, L1544 si prepara ad accogliere le nasciture protostelle in una “culla di ghiaccio” che conserva le specie chimiche sintetizzate durante l’evoluzione della nube e ne permette la trasmissione alle fasi successive, come la formazione degli embrioni planetari nei dischi circumstellari».

Questo congelamento totale, previsto dai modelli teorici già intorno a settemila unità astronomiche dal centro ma mai osservato direttamente prima d’ora – l’emissione di alcune molecole appare concentrata verso le regioni centrali, rendendone difficile la rilevazione – è stato svelato grazie alla elevata risoluzione spaziale di Alma.

«I corpi ghiacciati presenti oggi alla periferia del Sistema solare possono contenere la storia chimica “congelata” del nostro nucleo pre-solare, la nube da cui ha avuto origine tutto ciò che vediamo oggi nel Sistema solare (noi compresi)», conclude Caselli. «Poiché sappiamo che alcuni dei ciottoli ghiacciati nel giovane Sistema solare sono stati trasportati verso la zona di formazione dei pianeti terrestri, i granelli ghiacciati al centro del nucleo pre-solare potrebbero persino aver contribuito alle molecole volatili, tra cui acqua e sostanze organiche, sulla Terra, fornendo cioè ingredienti preziosi per l’origine della vita sul nostro pianeta».