Gli scienziati che lavorano con i dati del JWST hanno ottenuto i primi spettri completi di alcune delle prime luci stellari nell’universo. Le immagini forniscono l’immagine più chiara finora di galassie neonate a bassissima massa, create meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, e suggeriscono che le minuscole galassie siano centrali nella storia dell’origine cosmica.
Un team internazionale di ricercatori, tra cui due astrofisici della Penn State, ha pubblicato i risultati recentemente sulla rivista Nature. Gli spettri rivelano alcune delle prime luci visibili da un periodo nell’universo noto come reionizzazione, alimentato dall’arrivo delle prime stelle e galassie.
L’universo primordiale: una transizione dall’oscurità alla luce
La materia normale nell’universo iniziò come una nebbia calda e densa composta quasi interamente da nuclei di idrogeno ed elio, ha spiegato Joel Leja, professore assistente di astronomia e astrofisica alla Penn State e autore dell’articolo. Mentre si espandeva e si raffreddava, protoni e elettroni solitari iniziarono a legarsi, formando idrogeno neutro per la prima volta. Poi, circa 500-900 milioni di anni dopo il Big Bang, quell’idrogeno neutro – che predominava nell’universo primordiale – iniziò a separarsi di nuovo in gas ionizzato, incoraggiando la creazione di stelle e galassie e sollevando la nebbia primordiale in modo che la luce potesse viaggiare senza impedimenti attraverso il cosmo per la prima volta.
“Qualcosa si è acceso che ha iniziato a pompare fotoni ad alta energia nel vuoto intergalattico”, ha detto Leja. “Queste fonti hanno funzionato come fari cosmici che hanno bruciato la nebbia di idrogeno neutro. Qualunque cosa fosse, era così energetica e così persistente, che l’intero universo è diventato reionizzato.”
Pionieri galattici: il ruolo delle galassie a bassa massa
Analizzando gli spettri di giovani galassie a bassa massa, gli scienziati hanno dimostrato che le piccole galassie erano forti candidate per “qualcosa” che ha scatenato la reionizzazione dell’universo riscaldando il denso gas primordiale intorno a loro e ionizzando l’idrogeno una volta neutro.
“Se le altre galassie a bassa massa nell’universo sono comuni ed energetiche come queste, pensiamo di aver finalmente capito i fari che hanno bruciato la nebbia cosmica”, ha detto Leja. “Erano stelle incredibilmente energetiche in molte, molte piccole galassie.”
La maggior parte delle galassie nell’universo primordiale si prevede che siano relativamente piccole, rendendo estremamente difficile studiarne la frequenza e le proprietà, ha aggiunto Leja. Grazie a un’impresa tecnologica resa possibile dalla combinazione unica della sensibilità del JWST e dell’effetto di lente gravitazionale del cluster Abell 2744 – galassie vicine che agiscono come lenti cosmiche, distorcendo lo spazio e amplificando la luce delle galassie sullo sfondo – ora è possibile determinare l’abbondanza di piccole galassie e le loro proprietà ionizzanti durante il primo miliardo di anni dell’universo.
“Abbiamo scoperto che le piccole galassie superavano in numero le galassie massicce di circa cento a uno durante questa epoca di reionizzazione dell’universo”, ha detto Hakim Atek, astrofisico all’Università della Sorbona, ricercatore all’Istituto di Astrofisica di Parigi e primo autore dell’articolo in un comunicato. “Queste osservazioni inedite rivelano anche che queste piccole galassie hanno prodotto una notevole quantità di fotoni ionizzanti, superando di quattro volte i valori canonici solitamente assunti per le galassie lontane. Ciò significa che il flusso totale di fotoni ionizzanti emessi da queste galassie supera di gran lunga la soglia richiesta per la reionizzazione.”
Tracciare l’evoluzione cosmica: direzioni future
Il team della Penn State ha guidato la modellazione per il sondaggio UNCOVER, che ha preso di mira il grande cluster di galassie in primo piano che ha lenti le galassie più piccole e più lontane. I ricercatori della Penn State hanno analizzato tutti i piccoli punti di luce nel sondaggio per comprendere le proprietà degli oggetti, nonché le loro probabili masse e distanze. Quell’analisi è stata poi utilizzata per guidare osservazioni successive e più dettagliate del JWST che hanno guidato questa scoperta, ha spiegato Leja.
Prima di queste scoperte, c’erano numerose ipotesi che identificavano altre fonti responsabili della reionizzazione cosmica, come i buchi neri supermassicci; grandi galassie con masse superiori a un miliardo di masse solari; e piccole galassie con masse inferiori a 1 miliardo di masse solari. I ricercatori hanno affermato che la conferma dell’ipotesi relativa alle galassie a bassa massa si è rivelata particolarmente difficile, data la loro bassa luminosità, ma i nuovi risultati offrono le prove più chiare fino ad oggi che le galassie a bassa massa hanno svolto un ruolo centrale nella reionizzazione dell’universo.
I ricercatori ora vogliono estendere lo studio su una scala più ampia per confermare che la particolare posizione che hanno analizzato sia rappresentativa della distribuzione media delle galassie nell’universo. Oltre al processo di reionizzazione, le loro osservazioni forniscono informazioni sul processo di formazione stellare precoce, su come le galassie sono emerse dal gas primordiale e su come si sono evolute nell’universo che conosciamo oggi.