Una delle missioni chiave del telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA è quella di sondare l’Universo primordiale. Ora, la risoluzione e la sensibilità senza pari dello strumento NIRCam di Webb hanno rivelato, per la prima volta, cosa si trova nell’ambiente locale delle galassie nell’Universo primordiale. Ciò ha risolto uno dei misteri più sconcertanti dell’astronomia: il motivo per cui gli astronomi rilevano la luce proveniente dagli atomi di idrogeno che avrebbero dovuto essere completamente bloccati dal gas incontaminato formatosi dopo il Big Bang. Queste nuove osservazioni di Webb hanno scoperto oggetti piccoli e deboli che circondano le stesse galassie che mostrano l'”inspiegabile” emissione di idrogeno. In concomitanza con simulazioni all’avanguardia delle galassie nell’Universo primordiale, le osservazioni hanno dimostrato che la fusione caotica di queste galassie vicine è la fonte di questa emissione di idrogeno.
La luce viaggia a una velocità finita (300mila km/s), il che significa che più una galassia è lontana, più tempo ha impiegato la luce per raggiungere il nostro Sistema Solare. Di conseguenza, non solo le osservazioni delle galassie più distanti sondano i confini più remoti dell’Universo, ma ci permettono anche di studiare l’Universo com’era nel passato. Per studiare l’Universo primordiale, gli astronomi necessitano di telescopi eccezionalmente potenti in grado di osservare galassie molto distanti, e quindi molto deboli. Una delle capacità chiave di Webb è quella di osservare quelle galassie molto distanti e quindi di sondare la storia primordiale dell’Universo. Un team internazionale di astronomi ha messo a frutto le straordinarie capacità di Webb per risolvere un mistero di lunga data in astronomia.
Le primissime galassie erano siti di attiva formazione stellare, e come tali erano ricche fonti di un tipo di luce emessa da atomi di idrogeno chiamata emissione Lyman-α. Tuttavia, durante l’epoca della reionizzazione, un’immensa quantità di gas idrogeno neutro circondava queste aree di formazione stellare attiva (note anche come vivai stellari). Inoltre, lo spazio tra le galassie era riempito da una quantità maggiore di questo gas neutro rispetto a oggi. Il gas può assorbire e disperdere in modo molto efficace questo tipo di emissione di idrogeno, quindi gli astronomi hanno da tempo previsto che l’abbondante emissione di Lyman-α rilasciata nell’Universo primordiale non dovrebbe essere osservabile oggi. Tuttavia, questa teoria non ha sempre resistito all’esame accurato, poiché gli astronomi hanno precedentemente osservato esempi di emissioni di idrogeno molto precoci. Ciò ha presentato un mistero: come è possibile che questa emissione di idrogeno – che avrebbe dovuto essere assorbita o dispersa da tempo – viene osservata? Il ricercatore dell’Università di Cambridge e ricercatore principale del nuovo studio Callum Witten ha spiegato: “Uno dei problemi più sconcertanti presentati dalle osservazioni precedenti è stata la rilevazione della luce proveniente dagli atomi di idrogeno nell’Universo primordiale, che avrebbe dovuto essere completamente bloccato dal gas neutro incontaminato formatosi dopo il Big-Bang. Molte ipotesi sono state precedentemente suggerite per spiegare la grande fuga di questa emissione ‘inspiegabile’“.
La svolta del team è arrivata grazie alla straordinaria combinazione di risoluzione angolare e sensibilità di Webb. Le osservazioni con lo strumento NIRCam di Webb sono state in grado di individuare le galassie più piccole e più deboli che circondano le galassie luminose da cui era stata rilevata l'”inspiegabile” emissione di idrogeno. In altre parole, i dintorni di queste galassie sembrano essere un luogo molto più frequentato di quanto pensassimo in precedenza, pieno di galassie piccole e deboli. Fondamentalmente, queste galassie più piccole interagivano e si fondevano tra loro, e Webb ha rivelato che le fusioni tra galassie svolgono un ruolo importante nello spiegare l’emissione misteriosa delle prime galassie. Sergio Martin-Alvarez, membro del team dell’Università di Stanford, ha aggiunto: “Laddove Hubble vedeva solo una grande galassia, Webb vede un ammasso di galassie più piccole interagenti, e questa rivelazione ha avuto un enorme impatto sulla nostra comprensione dell’inaspettata emissione di idrogeno da alcune delle prime galassie“.
Il team ha poi utilizzato simulazioni computerizzate all’avanguardia per esplorare i processi fisici che potrebbero spiegare i risultati. Hanno scoperto che il rapido accumulo di massa stellare attraverso le fusioni tra galassie ha portato a una forte emissione di idrogeno e ha facilitato la fuga di quella radiazione attraverso canali liberati dall’abbondante gas neutro. Quindi l’elevato tasso di fusione delle galassie più piccole precedentemente non osservate ha presentato una soluzione convincente all’annoso enigma dell’“inspiegabile” emissione precoce di idrogeno.
Il team sta pianificando osservazioni successive con galassie a vari stadi di fusione, al fine di continuare a sviluppare la propria comprensione di come l’emissione di idrogeno viene espulsa da questi sistemi in cambiamento. In definitiva, ciò consentirà loro di migliorare la nostra comprensione dell’evoluzione delle galassie. I risultati sono stati pubblicati oggi su Nature Astronomy.
