Come si sono formate le prime stelle e galassie dopo il Big Bang? Per trovare la risposta, un gruppo di astronomi dell’Università dell’Arizona sta usando il James Webb Space Telescope della NASA per scrutare più in profondità nell’universo e più indietro nel tempo che mai. Il team ha già scoperto centinaia di galassie che esistevano quando l’universo aveva meno di 600 milioni di anni, solo il 4% della sua età attuale. Il telescopio Webb, o JWST, ha anche osservato galassie scintillanti con una moltitudine di stelle giovani e calde formatesi durante quelle che i ricercatori chiamano “esplosioni sorprendentemente episodiche di formazione stellare“.
Il team ha presentato le sue ultime osservazioni lunedì alla 242ª riunione dell’American Astronomical Society ad Albuquerque, nel New Mexico. Le osservazioni sono state effettuate nell’ambito del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, o JADES, dedicato alla scoperta e allo studio di galassie estremamente deboli e distanti. Trentadue giorni di tempo di osservazione sono stati dedicati a JADES, che è uno dei più grandi programmi di osservazione nel primo anno di ricerca scientifica di Webb.
La chiave della capacità di JWST di rilevare le firme estremamente deboli di oggetti distanti è il suo grande specchio che raccoglie la luce e la sensibilità agli infrarossi.
“Con JADES, vogliamo rispondere a domande del tipo: ‘Come si sono assemblate le prime galassie? Quanto velocemente hanno formato le stelle? Perché alcune galassie smettono di formare stelle?’,“, ha dichiarato Marcia Rieke professoressa di astronomia presso lo Steward Observatory dell’Università dell’Arizona e co-responsabile del programma JADES.
Fabbriche di stelle
Durante la ricerca di dottorato presso lo Steward Observatory, il membro del team JADES Ryan Endsley, che ora è borsista post-dottorato presso l’Università del Texas ad Austin, ha condotto un’indagine sulle galassie che esistevano da 500 a 850 milioni di anni dopo il Big Bang, un periodo cruciale noto come “Epoca della Reionizzazione“. Per centinaia di milioni di anni, il giovane universo era pieno di una nebbia gassosa che lo ha reso opaco alla luce energetica come la luce ultravioletta o i raggi X. Circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, la nebbia si è diradata e l’universo è diventato trasparente durante un processo noto come reionizzazione. Gli scienziati si sono chiesti se i buchi neri attivi e supermassicci o le galassie piene di stelle calde e giovani fossero la causa principale della reionizzazione. Nell’ambito del programma JADES, Endsley e i suopi colleghi hanno studiato queste galassie alla ricerca di segni di formazione stellare, e ne hanno trovati in abbondanza.
“Quasi ogni singola galassia che stiamo trovando mostra queste firme di linee di emissione insolitamente forti che indicano un’intensa formazione stellare recente,” ha spiegato Endsley. “Queste galassie primordiali erano molto brave a creare stelle calde e massicce“.
Queste stelle luminose e massicce hanno emesso torrenti di luce ultravioletta, che hanno trasformato il gas circostante da opaco a trasparente ionizzando gli atomi, separando i loro elettroni dai nuclei. Poiché queste prime galassie avevano una così grande popolazione di stelle calde e massicce, potrebbero essere state il motore principale del processo di reionizzazione. Il successivo ricongiungimento degli elettroni e dei nuclei produce linee di emissione distintamente forti.
Endsley e colleghi hanno anche trovato prove in base alle quali queste giovani galassie hanno attraversato periodi di rapida formazione stellare intervallati da periodi tranquilli durante i quali si sono formate meno stelle. Queste fasi potrebbero essersi verificate quando le galassie hanno catturato ammassi delle materie prime gassose necessarie per formare le stelle. In alternativa, poiché le stelle massicce hanno vita breve prima di esplodere, potrebbero avere immesso periodicamente energia nell’ambiente circostante, impedendo al gas di condensarsi per formare nuove stelle.
L’universo primordiale
Un altro elemento del programma JADES prevede la ricerca delle prime galassie che esistevano quando l’universo aveva meno di 400 milioni di anni. Studiando queste galassie, gli astronomi possono scoprire come la formazione stellare nei primi anni dopo il Big Bang fosse diversa da quella odierna. La luce delle galassie lontane viene allungata a lunghezze d’onda maggiori e colori più rossi dall’espansione dell’universo, un fenomeno chiamato redshift, lo spostamento verso il rosso. Misurando il redshift di una galassia, gli astronomi possono scoprire quanto è lontana e, quindi, in che periodo esisteva nell’universo primordiale.
“Prima di JWST, c’erano solo poche dozzine di galassie osservate sopra un redshift di 8, quando l’universo aveva meno di 650 milioni di anni, ma JADES sta ora scoprendo quasi un migliaio di queste galassie estremamente distanti,” ha sottolineato Rieke.
Il team di JADES ha identificato più di 700 candidate galassie al di sopra del redshift 8, il che rivoluzionerà completamente la comprensione da parte degli astronomi della formazione primordiale delle galassie. Il semplice numero di queste fonti ha superato di gran lunga le previsioni basate su osservazioni fatte prima del lancio di JWST. La risoluzione e la sensibilità di Webb consentono agli astronomi di ottenere una visione senza precedenti di queste galassie lontane.
“In precedenza, le galassie primordiali che potevamo vedere sembravano solo piccole macchie,” ha affermato Kevin Hainline, membro del team di JADES, assistente professore di ricerca presso lo Steward Observatory. “Eppure quelle macchie rappresentano milioni, o addirittura miliardi, di stelle all’inizio dell’universo. Ora possiamo vedere, incredibilmente, che alcune di esse sono in realtà raggruppamenti di stelle nate solo poche centinaia di milioni di anni dopo l’inizio di tempo“. “Ciò che ci dice tutto questo – ha concluso Rieke – è che la formazione stellare nell’universo primordiale è molto più complicata di quanto pensassimo“.
