La morte di una stella massiccia è uno degli eventi più violenti e spettacolari dell'universo, ma la fase iniziale dell'esplosione – quella che determina la geometria e le caratteristiche fondamentali della supernova – rimane visibile per poche ore, al massimo un giorno. Catturare questo momento critico è una sfida che gli astrofisici inseguono da decenni, perché racchiude informazioni essenziali sui meccanismi fisici che governano il collasso stellare e l'espulsione della materia. Un team internazionale di ricercatori, guidato da Yi Yang della Tsinghua University di Pechino, è riuscito nell'impresa osservando SN 2024ggi, una supernova distante circa 22 milioni di anni luce nella galassia NGC 3621, in direzione della costellazione dell'Idra. I risultati, pubblicati sulla rivista Science Advances il 12 novembre 2024, offrono una visione senza precedenti della forma assunta dall'esplosione nei suoi primissimi istanti.
La scoperta è avvenuta la notte del 10 aprile 2024, in un contesto che testimonia quanto rapidità e coordinamento internazionale siano cruciali nell'astronomia moderna. Yang si trovava a San Francisco, appena atterrato dopo un lungo volo dalla Cina, quando ricevette la notizia dell'evento. Nonostante la stanchezza e il fuso orario, comprese immediatamente l'urgenza: inviò una richiesta di osservazione all'Osservatorio Europeo Australe (ESO) dopo sole dodici ore, e la proposta venne approvata rapidamente. Entro il 11 aprile, a meno di 26 ore dalla scoperta iniziale, il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO, situato in Cile, stava già raccogliendo dati sulla supernova. Questa tempestività si è rivelata determinante per cogliere una finestra osservativa estremamente breve.
Le stelle massicce – quelle con massa superiore a otto volte quella del Sole – concludono la loro esistenza in modo drammatico. Durante la maggior parte della loro vita, mantengono un equilibrio delicato tra la gravità, che tende a comprimerle, e la pressione generata dalle reazioni di fusione nucleare nel nucleo, che le sostiene dall'interno. Quando il combustibile nucleare si esaurisce, questo equilibrio viene meno: il nucleo collassa su se stesso in una frazione di secondo, gli strati esterni precipitano verso il centro e rimbalzano contro il nucleo densissimo appena formato. Questo rimbalzo genera un'onda d'urto che si propaga verso l'esterno attraverso la stella, strappandola letteralmente a pezzi. Nel caso di SN 2024ggi, la stella progenitrice era una supergigante rossa con massa compresa tra 12 e 15 masse solari e un raggio 500 volte maggiore di quello del Sole – un esempio da manuale di stella massiccia giunta al termine del suo ciclo evolutivo.
Il momento in cui l'onda d'urto raggiunge la superficie stellare e rompe attraverso gli strati esterni è chiamato "shock breakout". È in questa fase brevissima che l'energia viene rilasciata in quantità enormi e la supernova diventa visibile. Prima che l'esplosione inizi a interagire con il materiale circostante espulso dalla stella nei millenni precedenti, gli astronomi possono studiare la geometria intrinseca del meccanismo di esplosione. Come spiega Dietrich Baade, astronomo dell'ESO in Germania e coautore dello studio, "le prime osservazioni del VLT hanno catturato la fase durante la quale la materia accelerata dall'esplosione vicino al centro della stella attraversava la superficie stellare. Per alcune ore, la geometria della stella e della sua esplosione potevano essere, e sono state, osservate insieme".
Per decifrare la forma tridimensionale dell'esplosione, i ricercatori hanno impiegato una tecnica sofisticata chiamata spettropolarimetria. Questo metodo sfrutta una proprietà della luce chiamata polarizzazione: mentre in una stella sferica la polarizzazione delle singole particelle di luce (fotoni) si annulla reciprocamente, risultando in una polarizzazione netta pari a zero, qualsiasi deviazione dalla simmetria sferica produce una polarizzazione misurabile. Lifan Wang, professore alla Texas A&M University e coautore dello studio, spiega che "la spettropolarimetria fornisce informazioni sulla geometria dell'esplosione che altri tipi di osservazione non possono offrire, perché le scale angolari sono troppo piccole". Anche se la stella in esplosione appare come un singolo punto di luce, la polarizzazione contiene segnali sottili sulla sua forma, che il team è riuscito a decodificare.
Lo strumento FORS2 del VLT, l'unico nell'emisfero meridionale in grado di effettuare questo tipo di misurazione, ha rivelato che la prima ondata di materiale espulso aveva una forma simile a quella di un'oliva – ovvero non sferica, ma ellissoidale con un asse di simmetria ben definito. Man mano che l'esplosione si espandeva e incontrava il materiale circostante, la forma diventava più appiattita, ma l'asse di simmetria rimaneva costante. Questo risultato suggerisce, secondo Yang, che "esista un meccanismo fisico comune che guida l'esplosione di molte stelle massicce, che manifesta una simmetria assiale ben definita e agisce su larga scala".
I dati raccolti permettono agli scienziati di escludere alcuni modelli teorici esistenti e raffinare altri, migliorando la comprensione di come muoiono le stelle massicce. La natura asimmetrica dell'esplosione, già evidente nella fase iniziale, solleva interrogativi sui processi che innescano il collasso e sulla propagazione dell'onda d'urto attraverso gli strati stellari. Ferdinando Patat, astronomo dell'ESO e coautore, sottolinea l'importanza della collaborazione internazionale: "Questa scoperta non solo ridisegna la nostra comprensione delle esplosioni stellari, ma dimostra anche cosa si può ottenere quando la scienza trascende i confini. È un potente promemoria che curiosità, collaborazione e azione rapida possono sbloccare intuizioni profonde sulla fisica che plasma il nostro universo".
Il team coinvolto nello studio comprende ricercatori provenienti da Cina, Stati Uniti, Germania, Regno Unito, Israele, Italia e Cile, con la partecipazione di istituzioni come l'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e l'INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) per la componente italiana. La ricerca si inserisce in un filone di studi che utilizza le capacità osservative di telescopi di classe mondiale come il VLT per cogliere eventi transienti estremamente rapidi. Le prossime osservazioni, possibilmente con strumenti di nuova generazione come quelli dell'Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO, attualmente in costruzione, potrebbero consentire di studiare simili eventi con dettaglio ancora maggiore, estendendo la comprensione dei meccanismi che producono gli elementi pesanti dispersi nell'universo dalle supernovae e che costituiscono i mattoni fondamentali di pianeti e forme di vita.