Quello che era poco più di un puntino di luce per il telescopio spaziale Hubble si è rivelata una delle galassie più antiche mai scoperte – e il risultato è dovuto al “fratello minore” di Hubble: il rivoluzionario telescopio spaziale James Webb. La collaborazione internazionale “Glass” del telescopio spaziale James Webb ha effettuato osservazioni dettagliate della galassia, soprannominata Gz9p3, che si vede come era appena 510 milioni di anni dopo il Big Bang, ossia durante la relativa infanzia dell’universo, che ora ha 13,8 miliardi di anni.
Il team ha scoperto che, proprio come le altre galassie primordiali osservate da Webb, Gz9p3 è molto più massiccia e matura di quanto previsto per una galassia nell’universo neonato. Nell’antichità in cui è stata avvistata, sembra che contenga già diversi miliardi di stelle.
Parlando del rompicapo cosmico di come le prime galassie siano diventate così massicce così rapidamente, Gz9p3 potrebbe essere un vero enigma. Non solo è più massiccia del previsto, ma è circa 10 volte più massiccia di altre galassie osservate da Webb in epoche simili della storia dell’universo.
“Solo un paio di anni fa, Gz9p3 appariva come un singolo punto di luce attraverso il telescopio spaziale Hubble“, ha scritto Kit Boyett, membro del team e scienziato dell’Università di Melbourne. “Ma utilizzando Webb abbiamo potuto osservare questo oggetto com’era 510 milioni di anni dopo il Big Bang, circa 13 miliardi di anni fa”.
Gz9p3 è semplicemente straordinaria. Oltre alle dimensioni e alla maturità, anche la sua forma rivela indizi sulla sua creazione.
Gz9p3 è nata da una fusione di galassie primordiali?
Utilizzando il telescopio spaziale James Webb e l’imaging diretto, il team è stato in grado di determinare che Gz9p3 ha una forma complessa con due macchie luminose che rivelano i suoi due nuclei densi. Ciò indica che Gz9p3 si è formata probabilmente quando due galassie primordiali si sono scontrate nell’universo neonato. Questa collisione potrebbe essere ancora in corso nel periodo in cui gli astronomi hanno notato Gz9p3 con Webb.
“L’immagine di Webb della galassia mostra una morfologia tipicamente associata a due galassie interagenti. E la fusione non è terminata perché vediamo ancora due componenti”, ha spiegato Boyett. “Quando due oggetti massicci si uniscono in questo modo, di fatto eliminano parte della materia nel processo. Quindi, questa materia scartata suggerisce che quella che abbiamo osservato è una delle fusioni più distanti mai viste”.
Oltre a determinare l’età, la massa e la forma di questa antica galassia, Boyett e colleghi sono riusciti a sondare più in profondità Gz9p3 per esaminare la popolazione stellare di queste galassie in collisione. Poiché le stelle giovani sono più luminose delle loro controparti più vecchie, di solito dominano le immagini delle galassie, specialmente quelle così distanti al punto che la loro luce viaggia verso la Terra da miliardi di anni. “Ad esempio, una popolazione giovane e brillante, nata dalla fusione delle galassie, che ha meno di qualche milione di anni, brilla più di una popolazione più vecchia che ha già più di 100 milioni di anni“, ha continuato Boyett.
La collaborazione Glass ha risolto il problema effettuando osservazioni spettroscopiche di Gz9p3 e sfruttando l’imaging diretto. La spettroscopia può essere utilizzata per determinare gli elementi che compongono le stelle; poiché le stelle giovani e vecchie hanno composizioni diverse, ciò ha permesso ai ricercatori di separare le due categorie in questa galassia primordiale.
Le stelle più vecchie si sono fatte strada attraverso la fornitura di idrogeno nei loro nuclei, avendo già fuso tutto in elio e poi fondendo questo elio per creare elementi ancora più pesanti, che gli astronomi chiamano “metalli”. Ciò significa che le stelle più vecchie sono più ricche di metalli rispetto alle stelle più giovani, che sono ancora dominate dall’idrogeno e da una certa quantità di elio.
Il team di studio ha utilizzato il telescopio spaziale James Webb per rilevare elementi specifici nella popolazione stellare più vecchia di Gz9p3. Questi elementi target includevano silicio, carbonio e ferro, l’ultimo dei quali è l’elemento più pesante che può essere sintetizzato dalle stelle. Ciò significa che queste stelle, morendo nelle esplosioni di supernova, avrebbero arricchito l’universo primordiale di metalli. Gran parte di questo contenuto di metalli sarebbe diventato gli elementi costitutivi della prossima generazione di stelle.
Inoltre, il team ha scoperto che la popolazione di vecchie stelle in Gz9p3 era molto più grande di quanto si sospettasse in precedenza. Ciò significa che, mentre gli astronomi erano consapevoli di questo ciclo di vita e morte stellare e del crescente arricchimento di metalli delle successive generazioni di stelle, le osservazioni di Gz9p3 indicano che le galassie potrebbero essere diventate “chimicamente mature” più velocemente di quanto si sospettasse in precedenza. “Queste osservazioni forniscono la prova di un rapido ed efficiente accumulo di stelle e metalli nel periodo immediatamente successivo al Big Bang, legato alle fusioni di galassie in corso, dimostrando che galassie massicce con diversi miliardi di stelle esistevano prima del previsto“, ha scritto Boyett.
Una storia violenta
Le galassie che si trovano isolate dalle loro controparti galattiche formano stelle, ma il processo è lento e termina quando la galassia esaurisce il suo serbatoio di gas e polvere, i materiali che formano le stelle. Per le galassie vicine tra loro, il processo di formazione stellare può essere accelerato e persino ripreso dopo che si è arrestato. Questo perché quando queste galassie sono attratte da una reciproca attrazione gravitazionale, entrano in collisione. La fusione provoca quindi un afflusso di gas che dà il via a un periodo di rapida nascita stellare chiamato “starburst”, il che significa che le fusioni forniscono alle galassie un modo eccellente per far crescere rapidamente le loro popolazioni stellari.
La maggior parte delle grandi galassie dell’universo sono cresciute in questo modo; la nostra galassia, la Via Lattea, mostra essa stessa una storia di fusioni. Ad esempio, è stata coinvolta nella cannibalizzazione delle galassie satellite più piccole che un tempo orbitavano attorno ad essa. La Via Lattea attualmente forma stelle a un ritmo stentato, ma questo cambierà quando entrerà in collisione con la nostra vicina galassia, Andromeda, tra circa 4,5 miliardi di anni. Ciò causerà un afflusso di gas che darà il via a un nuovo starburst.
Grazie alle osservazioni di Gz9p3, gli astronomi stanno comprendendo che questo canale per il rapido accumulo di massa e la nascita delle stelle era un fattore più importante del previsto nell’universo primordiale.
“Queste osservazioni di Gz9p3 mostrano che le galassie erano in grado di accumulare massa rapidamente nell’universo primordiale attraverso fusioni, con efficienze di formazione stellare superiori a quanto ci aspettassimo”, ha spiegato Boyett. “Questa e altre osservazioni effettuate utilizzando il telescopio spaziale James Webb stanno inducendo gli astrofisici a modificare la loro modellizzazione dei primi anni dell’universo. La nostra cosmologia non è necessariamente sbagliata, ma probabilmente lo è la nostra comprensione della velocità con cui si sono formate le galassie, perché sono più massicce di quanto avessimo mai creduto possibile“.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Astronomy.