La furia dell'universo primordiale: i segreti svelati dal telescopio James Webb
Il Telescopio Spaziale James Webb e la nascita delle galassie
Il Telescopio Spaziale James Webb della NASA sta mantenendo la promessa di esplorare le regioni più remote dell’universo, osservando un’epoca in cui le galassie stavano appena iniziando a formarsi. Gli scienziati attendevano con impazienza di utilizzare questo complesso osservatorio per comprendere dettagli finora inaccessibili. Alan Dressler, astronomo emerito presso l’Istituto Carnegie per la Scienza, descrive il suo percorso di scoperta scientifica dagli albori del Telescopio Spaziale Hubble alla nuova entusiasmante era dell’astronomia con il Telescopio Spaziale James Webb.
• Il Telescopio Spaziale James Webb e la nascita delle galassie
• La visione profonda dell’universo offerta da Hubble
• La necessità di un telescopio più grande e sensibile
• La scoperta delle prime galassie
• La crescita delle galassie e l’uso di NIRCam
La visione profonda dell’universo offerta da Hubble
Nel 1993, Dressler fu incaricato dall’AURA – Associated Universities of Research in Astronomy – di guidare un comitato di 20 astronomi per identificare le domande importanti che gli astronomi avrebbero potuto rispondere nei successivi 20 anni, data la sorprendente e profonda visione dell’universo offerta dal Telescopio Spaziale Hubble (HST). Gli astronomi si aspettavano che Hubble potesse “guardare indietro nel tempo” fino a quando l’universo aveva la metà della sua attuale età di 13,8 miliardi di anni, ovvero circa 7 miliardi di anni fa. Questa prospettiva era già entusiasmante, ma Hubble fece molto di più, scoprendo che la luce proveniente dalle galassie lontane era più luminosa e intensa del previsto. Il comitato HST & Beyond si rese conto che Hubble poteva portarci alla soglia della nascita effettiva delle galassie, entro il miliardo di anni successivo al big bang. Questa era un’opportunità unica per assistere alle nostre origini cosmiche.
La necessità di un telescopio più grande e sensibile
Tuttavia, per osservare effettivamente le nascite delle galassie, era necessario qualcosa oltre Hubble: un telescopio più grande, con estrema sensibilità alla luce infrarossa. Il comitato HST & Beyond consigliò alla NASA di costruire un tale telescopio – una sfida straordinaria, perché solo un telescopio super-freddo posizionato lontano dalla Terra poteva vedere il debole bagliore di queste culle cosmiche. Ci vollero 25 anni e quasi 20.000 persone intelligenti e dedicate, ma il Telescopio Spaziale James Webb ce l’ha fatta! Dal luglio 2022, diversi programmi utilizzano il telescopio per scattare immagini di galassie nel pieno della nascita, più di 13 miliardi di anni fa. E c’è stata una grande sorpresa! Le galassie sono nate in esplosivi scoppî di formazione stellare – diversi da qualsiasi cosa avessimo mai visto.
La scoperta delle prime galassie
Il team che ha costruito la NIRCam (Near-Infrared Camera), la fotocamera principale del telescopio, ha scattato immagini estremamente profonde in nove colori infrarossi con il suo programma di osservazioni garantite chiamato JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). JADES ha esaminato la porzione meridionale del Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), una regione del cielo utilizzata per eseguire indagini astronomiche profonde. Questo campo GOODS-Sud è abbastanza ampio da catturare circa 1.000 galassie del primo miliardo di anni dell’universo. Questo era il momento in cui la rapida espansione dell’universo lo aveva raffreddato abbastanza perché la gravità potesse unire gas di idrogeno ed elio, consentendo la nascita delle prime stelle. Questa prima generazione sarà molto difficile da rilevare (e potrebbe essere irrilevabile – anche con Webb), ma stiamo vedendo le stelle di seconda generazione che hanno fatto il “lavoro pesante” dell’arricchimento chimico.
La crescita delle galassie e l’uso di NIRCam
Le galassie “crescono” trasformando il gas (principalmente idrogeno) in generazioni di stelle – aggiungendo “massa stellare”. Le galassie odierne lo fanno lentamente – non resta molto gas. Tuttavia, gli astronomi sospettavano che, nell’universo ricco di gas dei primordi, la crescita sarebbe stata rapida e dinamica, e questo si è rivelato un eufemismo. Man mano che una popolazione di stelle invecchia, la loro luce combinata passa dal blu al rosso: gli astronomi hanno a lungo lottato per distinguere una galassia relativamente giovane da una molto più vecchia, perché una popolazione di stelle di 2 miliardi di anni è già altrettanto “rossa” di un’altra galassia che ha 10 miliardi di anni. Questo è come giudicare l’età delle persone solo dalla loro altezza. Ma ecco dove le cose si volgono a nostro favore: l’osservatorio ci sta mostrando galassie del primo miliardo di anni – estremamente giovani, dove la luce proviene da stelle circa il doppio della massa e molto più blu del nostro Sole. Queste cosiddette stelle A sono fantastici “orologi cosmici”, con durate di vita comprese tra 100 milioni di anni e 1 miliardo di anni. In un miliardo di anni è facile distinguere le più giovani dalle più vecchie. Le usiamo per decodificare le storie della formazione stellare delle prime galassie.
Queste immagini NIRCam registrano i colori infrarossi della luce combinata di queste giovani stelle. Per comprendere l’astrofisica, gli astronomi preferiscono diffondere la luce stellare in un “arcobaleno” altamente dettagliato, chiamato spettro, con centinaia o migliaia di colori. Ma le prime galassie sono troppo deboli per questo, quindi invece utilizziamo un “arcobaleno semplice” di sette colori ottenuti dalle immagini NIRCam prese con filtri diversi per analizzare l’età e la storia di ogni galassia. Gli astronomi chiamano questo “arcobaleno semplice” la “distribuzione dell’energia spettrale” o SED.
La cosa sorprendente è che, insieme, tali esplosioni si trovano per più del 70% delle circa 900 galassie nel campione. Circa la metà di tutte le storie in questo studio sono esplosioni singole – il che significa che tutte le stelle combinate, con una massa da 100 milioni fino a 1 miliardo di volte la massa del nostro Sole, nascono in un tempo di circa 100 milioni di anni, e probabilmente molto meno. Non ci sono esplosioni stellari di questa portata nell’universo moderno, o anche nei precedenti 10 miliardi di anni che hanno portato al nostro tempo. Queste prime esplosioni stellari superano facilmente qualsiasi cosa abbiamo mai visto, e i modelli informatici di come si sono costruite le galassie non le avevano previste. La sfida per i teorici sarà comprendere la fisica che permette – anzi “richiede” – tali eventi violenti per dare il via alle cose.
L’universo primordiale delle galassie è iniziato con una furia di quella che potrebbe essere chiamata “formazione stellare esplosiva”, con solo una modesta frazione di galassie che crescono a un ritmo più lento e costante. Nei miliardi di anni successivi, queste galassie esplosive devono crescere circa 10 volte in massa stellare. Questo tanto lo sappiamo. Come lo fanno? Questo sicuramente non lo sappiamo. E questa è la sfida.