Dalla particella cosmica alla galassia colossale: Webb svela il gigante dell’universo primordiale

La scoperta di una galassia antica e massiccia nell’Universo primordiale

Recenti osservazioni effettuate dal Telescopio Spaziale James Webb hanno portato alla luce Gz9p3, una galassia antica risalente agli anni dell’infanzia dell’Universo, rivelando che è eccezionalmente massiccia e matura. Questa scoperta, che indica una rapida formazione stellare e fusioni precoci di galassie, sta spingendo gli astrofisici a rivedere i loro modelli sull’evoluzione dell’Universo primordiale.

Immagini dettagliate di una delle prime galassie mostrano che la crescita nell’Universo primordiale è stata molto più rapida di quanto si pensasse inizialmente. Gli astronomi stanno attualmente vivendo un periodo fruttuoso di scoperte, indagando sui numerosi misteri dell’Universo primordiale.

Il lancio di successo del Telescopio Spaziale James Webb (JWST), successore del Telescopio Spaziale Hubble della NASA, ha spinto al limite ciò che possiamo vedere. Le osservazioni stanno ora entrando nei primi 500 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’Universo aveva meno del cinque percento della sua età attuale. Per gli esseri umani, questo tempo collocherebbe l’Universo saldamente nella fase dell’infanzia.

Eppure le galassie che stiamo osservando non sono certamente infantili, con nuove osservazioni che rivelano galassie più massicce e mature di quanto ci si aspettasse per tempi così precoci, contribuendo a riscrivere la nostra comprensione della formazione e dell’evoluzione delle galassie.

Il team di ricerca internazionale ha recentemente effettuato osservazioni dettagliate senza precedenti di una delle galassie più antiche conosciute – soprannominata Gz9p3, e ora pubblicata su Nature Astronomy.

Il suo nome deriva dalla collaborazione Glass (il nome del team di ricerca internazionale) e dal fatto che la galassia si trova a uno spostamento verso il rosso di z=9.3, dove lo spostamento verso il rosso è un modo per descrivere la distanza di un oggetto – da qui G e z9p3.

Solo un paio di anni fa, Gz9p3 appariva come un singolo punto di luce attraverso il Telescopio Spaziale Hubble. Ma utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb si è potuto osservare questo oggetto come era 510 milioni di anni dopo il Big Bang, circa 13 miliardi di anni fa.

Gz9p3 era molto più massiccia e matura di quanto ci si aspettasse per un Universo così giovane, contenendo già diversi miliardi di stelle. Di gran lunga l’oggetto più massiccio confermato da questo periodo, è stato calcolato come 10 volte più massiccio di qualsiasi altra galassia trovata così presto nell’Universo.

Combinati, questi risultati suggeriscono che, affinché la galassia raggiungesse queste dimensioni, le stelle devono essersi sviluppate molto più velocemente ed efficientemente di quanto pensassimo inizialmente.

Non solo Gz9p3 è massiccia, ma la sua forma complessa la identifica immediatamente come una delle prime fusioni di galassie mai osservate.

L’imaging JWST della galassia mostra una morfologia tipicamente associata a due galassie in interazione. E la fusione non è ancora finita perché vediamo ancora due componenti.

Quando due oggetti massicci si uniscono in questo modo, effettivamente gettano via parte della materia nel processo. Quindi, questa materia scartata suggerisce che ciò che è stato osservato è una delle fusioni più lontane mai viste.

Successivamente, lo studio ha esaminato più a fondo, per descrivere la popolazione di stelle che compongono le galassie in fusione. Utilizzando JWST, si è stati in grado di esaminare lo spettro della galassia, dividendo la luce nello stesso modo in cui un prisma divide la luce bianca in un arcobaleno.

Quando si utilizza solo l’imaging, la maggior parte degli studi su questi oggetti molto lontani mostra solo stelle molto giovani perché le stelle più giovani sono più luminose e quindi la loro luce domina i dati dell’imaging.

Ad esempio, una giovane popolazione luminosa innescata dalla fusione della galassia, di meno di qualche milione di anni, eclissa una popolazione più anziana già di oltre 100 milioni di anni.

Utilizzando la tecnica della spettroscopia possiamo produrre osservazioni così dettagliate, che le due popolazioni possono essere distinte.

Una popolazione più anziana e matura non era prevista considerando quanto presto le stelle avrebbero dovuto formarsi per essere invecchiate sufficientemente in questo tempo cosmico. La spettroscopia è così dettagliata, possiamo vedere le caratteristiche sottili delle stelle anziane che ci dicono che c’è più di quanto si pensi.

Elementi specifici rilevati nello spettro (inclusi silicio, carbonio e ferro) rivelano che questa popolazione più anziana deve esistere per arricchire la galassia con un’abbondanza di sostanze chimiche.

Non è solo la dimensione delle galassie che è sorprendente, ma anche la velocità con cui sono cresciute a uno stato chimicamente maturo.

Queste osservazioni forniscono prove di una rapida e efficiente accumulazione di stelle e metalli nell’immediato dopoguerra del Big Bang, legata a fusioni di galassie in corso, dimostrando che galassie massicce con diversi miliardi di stelle esistevano prima del previsto.

Le galassie isolate accumulano la loro popolazione di stelle in situ dalle loro riserve finite di gas, tuttavia, questo può essere un modo lento per le galassie di crescere.

Le interazioni tra galassie possono attirare nuovi afflussi di gas incontaminato, fornendo carburante per una rapida formazione stellare, e le fusioni forniscono un canale ancora più accelerato per l’accumulo di massa e la crescita.

Le galassie più grandi nel nostro Universo moderno portano tutte una storia di fusioni, inclusa la nostra Via Lattea che è cresciuta fino alle sue dimensioni attuali attraverso successive fusioni con galassie più piccole.

Queste osservazioni di Gz9p3 mostrano che le galassie erano in grado di accumulare massa rapidamente nell’Universo primordiale attraverso fusioni, con efficienze di formazione stellare più elevate di quanto ci aspettassimo.

Queste e altre osservazioni utilizzando il JWST stanno spingendo gli astrofisici a regolare la loro modellazione dei primi anni dell’Universo.

La nostra cosmologia non è necessariamente sbagliata, ma la nostra comprensione di quanto rapidamente si sono formate le galassie probabilmente lo è, perché sono più massicce di quanto abbiamo mai creduto possibile.

Questi nuovi risultati arrivano al momento giusto mentre ci avviciniamo al secondo anno di osservazioni scientifiche effettuate utilizzando il JWST.

Man mano che il numero totale di galassie osservate cresce, gli astronomi che studiano l’Universo primordiale stanno passando dalla fase di scoperta a un periodo in cui abbiamo campioni abbastanza grandi per iniziare a costruire e perfezionare nuovi modelli.

Non c’è mai stato un momento più eccitante per dare un senso ai misteri dell’Universo primordiale.