Gli astronomi che studiano l’universo primordiale hanno fatto una scoperta sorprendente utilizzando il telescopio spaziale James Webb di NASA/ESA/CSA. Le capacità spettroscopiche di Webb, combinate con la sua sensibilità all’infrarosso, hanno scoperto un ammasso di enormi galassie in fase di formazione attorno a un quasar estremamente rosso. Il risultato amplierà la nostra comprensione di come le galassie nell’universo primordiale si siano fuse nella rete cosmica che vediamo oggi.
Il quasar in questione, SDSS J165202.64+172852.3, è un quasar “estremamente rosso” che esiste nell’universo primordiale, 11,5 miliardi di anni fa. I quasar sono un tipo raro e incredibilmente luminoso di nucleo galattico attivo (AGN). Questo quasar è uno dei nuclei galattici conosciuti più potenti che sia stato visto a una distanza così estrema. Gli astronomi avevano ipotizzato che l’emissione estrema del quasar potesse causare un “vento galattico”, spingendo il gas libero fuori dalla sua galassia ospite e forse influenzando notevolmente la futura formazione stellare nell’area.
Un AGN è una regione compatta al centro di una galassia, che emette abbastanza radiazione elettromagnetica da eclissare tutte le stelle della galassia. Gli AGN, inclusi i quasar, sono alimentati dal gas che cade in un buco nero supermassiccio al centro della loro galassia. In genere emettono grandi quantità di luce su tutte le lunghezze d’onda, ma questo nucleo galattico è un membro di una classe insolitamente rossa. Oltre al suo intrinseco colore rosso, la luce della galassia è stata ulteriormente spostata verso il rosso dalla sua vasta distanza. Ciò ha reso Webb, dotato di una sensibilità senza precedenti nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso, perfettamente adatto per esaminare la galassia in dettaglio.
Per studiare il movimento del gas, della polvere e del materiale stellare nella galassia, il team ha utilizzato lo spettrografo nel vicino infrarosso del telescopio (NIRSpec). Questo potente strumento può raccogliere simultaneamente spettri attraverso l’intero campo visivo del telescopio, invece che solo da un punto alla volta. Ciò ha consentito di esaminare simultaneamente il quasar, la sua galassia e l’ambiente circostante.
La spettroscopia è stata fondamentale per comprendere il movimento dei vari flussi e venti che circondano il quasar. I movimenti dei gas influenzano la luce che emettono e riflettono, facendola cambiare verso il rosso o verso il blu in proporzione alla loro velocità e direzione. Il team è stato in grado di vedere e caratterizzare questo movimento tracciando l’ossigeno ionizzato negli spettri di NIRSpec.
Precedenti studi condotti, tra gli altri, dal telescopio spaziale Hubble di NASA/ESA e dallo strumento Near-Infrared Integral Field Spectrometer sul telescopio Gemini-North hanno richiamato l’attenzione sui potenti flussi del quasar e gli astronomi avevano ipotizzato che la sua galassia ospite potesse fondersi con un compagno invisibile. Ma il team non si aspettava che i dati NIRSpec di Webb indicassero chiaramente che non stavano solo guardando una galassia, ma almeno altre tre che vorticavano attorno ad essa. Grazie ai nuovi dati, è stato possibile mappare i movimenti di tutto questo materiale circostante, portando alla conclusione che SDSS J165202.64+172852.3 fosse in realtà parte di un denso nodo di formazione di galassie.
“Ci sono pochi protocluster di galassie conosciuti in questo primo periodo. È difficile trovarli e pochissimi hanno avuto il tempo di formarsi dal Big Bang“, ha detto l’astronoma Dominika Wylezalek dell’Università di Heidelberg in Germania, che ha condotto lo studio su questo quasar. “Questo alla fine potrebbe aiutarci a capire come si evolvono le galassie in ambienti densi… È un risultato entusiasmante”.
Utilizzando le osservazioni di NIRSpec, il team è stato in grado di confermare tre compagni galattici di questo quasar e mostrare come sono collegati. I dati di archivio di Hubble suggeriscono che potrebbero essercene ancora di più. Le immagini della Wide Field Camera 3 di Hubble avevano mostrato materiale esteso che circonda il quasar e la sua galassia. Ora, il team sospetta che potrebbero aver osservato il nucleo di un intero ammasso di galassie, rivelato solo ora dalle nitide immagini di Webb.
“Il nostro primo sguardo ai dati ha rivelato rapidamente chiari segni di importanti interazioni tra le galassie vicine“, ha affermato il membro del team Andrey Vayner della Johns Hopkins University di Baltimora, negli Stati Uniti. “La sensibilità dello strumento NIRSpec è stata immediatamente evidente e mi è stato chiaro siamo in una nuova era della spettroscopia a infrarossi”.
Le tre galassie confermate sono in orbita l’una intorno all’altra a velocità incredibilmente elevate, un’indicazione che è presente una grande quantità di massa. Se combinato con il modo in cui sono racchiuse nella regione intorno a questo quasar, il team ritiene che questo segni una delle più dense aree conosciute di formazione di galassie nell’universo primordiale. “Nemmeno un denso nodo di materia oscura è sufficiente per spiegarlo”, afferma Wylezalek. “Pensiamo che potremmo vedere una regione in cui due enormi aloni di materia oscura si stanno fondendo insieme“.
Lo studio condotto dal team di Wylezalek fa parte delle indagini di Webb sull’universo primordiale. Con la sua capacità senza precedenti di guardare indietro nel tempo, il telescopio è già utilizzato per studiare come si sono formate e si sono evolute le prime galassie e come i buchi neri si sono formati e hanno influenzato la struttura dell’universo. Il team sta pianificando osservazioni di follow-up in questo protocluster di galassie inaspettato e spera di usarlo per capire come si formano ammassi di galassie densi e caotici come questo e come è influenzato dal buco nero supermassiccio attivo nel suo centro.
Gli esperti mirano innanzitutto a tornare sulla questione dei venti galattici e del feedback dei quasar. I quasar sono stati a lungo sospettati come i responsabili della ridotta formazione stellare nelle loro galassie ospiti a causa di questo meccanismo di feedback, ma è stato difficile trovare prove certe per collegare i due. Le presenti osservazioni sono solo le prime di una serie che studierà tre quasar con Webb, ciascuno in tempi diversi nel passato dell’universo.
“Districare la luce incredibilmente brillante di un quasar lontano dall’ospite molto più fioco e dai suoi compagni è quasi impossibile da terra. Scoprire i dettagli dei venti galattici che possono produrre feedback è ancora più difficile“, ha condiviso il membro del team David Rupke del Rhodes College di Memphis, USA. “Ora con Webb, possiamo già vedere che questo sta cambiando”.
