Il Telescopio Spaziale James Webb rivela nuove informazioni sulle prime galassie
La grande galassia in primo piano è chiamata LEDA 2046648, e la vediamo poco più di un miliardo di anni indietro nel tempo, mentre la maggior parte delle altre sono ancora più lontane, e quindi le vediamo ancora più indietro nel tempo. Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel
Il lancio del Telescopio Spaziale James Webb ha permesso agli astronomi di osservare l’universo così da vicino che stiamo avvicinandoci al periodo in cui si ritiene si siano formate le prime galassie. Per gran parte della storia dell’universo, sembra esserci una correlazione costante tra il numero di stelle che una galassia ha formato e la quantità di elementi pesanti che ha prodotto.
Un cambiamento nelle prime galassie
Tuttavia, per la prima volta, vediamo segni che questa relazione tra la quantità di stelle e elementi non vale per le prime galassie. Il motivo è probabilmente che queste galassie sono semplicemente in fase di creazione e non hanno ancora avuto il tempo di creare gli elementi pesanti.
L’Universo è pieno di galassie – immense collezioni di stelle e gas – e mentre scrutiamo in profondità il cosmo, le vediamo vicine e lontane. Poiché la luce ha impiegato più tempo per raggiungerci, più una galassia è lontana, stiamo essenzialmente guardando indietro nel tempo, permettendoci di costruire una narrazione visiva della loro evoluzione nel corso della storia dell’Universo.
Il diagramma “elemento-massa stellare”
Questo grafico mostra le galassie osservate in un “diagramma elemento-massa stellare”: più a destra si trova una galassia, più è massiccia, e più in alto, più contiene elementi pesanti. Le icone grigie rappresentano le galassie nell’Universo attuale, mentre il rosso mostra le nuove osservazioni delle prime galassie. Queste ultime hanno chiaramente molti meno elementi pesanti delle galassie successive, ma concordano approssimativamente con le previsioni teoriche, indicate dalla banda blu. Credit: Kasper Elm Heintz, Peter Laursen
Le osservazioni ci hanno mostrato che le galassie negli ultimi 12 miliardi di anni - cioè 5/6 dell’età dell’Universo – hanno vissuto la loro vita in una sorta di equilibrio: sembra esserci una relazione fondamentale e stretta tra, da un lato, quante stelle hanno formato e, dall’altro, quanti elementi pesanti hanno formato. In questo contesto, “elementi pesanti” significa tutto ciò che è più pesante dell’idrogeno e dell’elio.
Questa relazione ha senso perché l’Universo era originariamente composto solo da questi due elementi più leggeri. Tutti gli elementi più pesanti, come il carbonio, l’ossigeno e il ferro, sono stati creati successivamente dalle stelle.
James Webb guarda più in profondità
Le prime galassie dovrebbero quindi essere “non inquinate” da elementi pesanti. Ma fino a poco tempo fa non siamo stati in grado di guardare così indietro nel tempo. Oltre ad essere lontane, il motivo è che più la luce viaggia nello spazio, più diventa rossa. Per le galassie più lontane bisogna guardare fino alla parte infrarossa dello spettro, e solo con il lancio di James Webb abbiamo avuto un telescopio abbastanza grande e sensibile da vedere così lontano.
E il telescopio spaziale non ha deluso: James Webb ha più volte battuto il suo stesso record per la galassia più lontana, e ora sembra finalmente che stiamo raggiungendo l’epoca in cui sono state create alcune delle prime galassie.
La formazione delle prime galassie
In uno studio pubblicato oggi sulla rivista scientifica Nature Astronomy, un team di astronomi del centro di ricerca danese Cosmic Dawn Center presso l’Istituto Niels Bohr e DTU Space a Copenhagen, ha scoperto quelle che sembrano essere alcune delle prime galassie che sono ancora in fase di formazione.
“Fino a poco tempo fa era quasi impossibile studiare come si formavano le prime galassie nell’universo primordiale poiché semplicemente non avevamo la strumentazione adeguata. Questo è cambiato completamente con il lancio di James Webb”, afferma Kasper Elm Heintz, leader dello studio e professore associato presso il Cosmic Dawn Center.
La relazione fondamentale si rompe
La relazione tra la massa stellare totale della galassia e la quantità di elementi pesanti è un po’ più complessa di così. Anche la velocità con cui la galassia produce nuove stelle ha qualcosa da dire. Ma se correggi per questo, ottieni una bellissima relazione lineare: più la galassia è massiccia, più ha elementi pesanti.
Ma questa relazione è ora messa in discussione dalle ultime osservazioni.
“Quando abbiamo analizzato la luce proveniente da 16 di queste prime galassie, abbiamo visto che avevano significativamente meno elementi pesanti, rispetto a quello che ci si aspetterebbe dalle loro masse stellari e dalla quantità di nuove stelle che hanno prodotto”, afferma Kasper Elm Heintz.
Infatti, le galassie si sono rivelate avere, in media, quattro volte meno quantità di elementi pesanti rispetto all’Universo successivo. Questi risultati sono in netto contrasto con il modello attuale in cui le galassie evolvono in una sorta di equilibrio per gran parte della storia dell’Universo.
Previsto dalle teorie
Il risultato non è del tutto sorprendente. I modelli teorici di formazione delle galassie, basati su dettagliati programmi informatici, prevedono qualcosa di simile. Ma ora l’abbiamo visto!
L’ipotesi proposta dagli autori dell’articolo è semplicemente che stiamo assistendo a galassie in fase di creazione. La gravità ha raccolto i primi grumi di gas, che hanno iniziato a formare stelle.
Se poi le galassie avessero vissuto la loro vita indisturbate, le stelle le avrebbero rapidamente arricchite di elementi pesanti. Ma tra le galassie di quel tempo c’erano grandi quantità di gas fresco e non inquinato, che fluiva verso le galassie più velocemente di quanto le stelle potessero tenere il passo.
“Il risultato ci dà il primo sguardo sulle prime fasi di formazione delle galassie che sembrano essere più strettamente collegate con il gas tra le galassie di quanto pensassimo.
Queste sono alcune delle prime osservazioni di James Webb su questo argomento, quindi stiamo ancora aspettando di vedere cosa ci possono dire le osservazioni più ampie e complete che stanno attualmente venendo effettuate.
Non c’è dubbio che avremo presto una comprensione molto più chiara di come le galassie e le prime strutture hanno iniziato la loro formazione durante il primo miliardo di anni dopo il Big Bang”, conclude Kasper Elm Heintz.