Webb vede una galassia che misteriosamente si dirada nella nebbia dell’Universo primordiale

Utilizzando l’esclusiva sensibilità infrarossa del telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA, i ricercatori possono esaminare antiche galassie per sondare i segreti dell’universo primordiale. Ora, un team internazionale di astronomi ha identificato un’emissione di idrogeno luminoso da una galassia in un momento inaspettatamente precoce nella storia dell’universo. La sorprendente scoperta sta sfidando i ricercatori a spiegare come questa luce abbia potuto perforare la fitta nebbia di idrogeno neutro che riempiva lo spazio a quel tempo.

Un obiettivo scientifico fondamentale del telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA è stato quello di vedere più lontano che mai nel lontano passato del nostro Universo, quando le prime galassie si stavano formando dopo il Big Bang. Questa ricerca ha già prodotto galassie da record, in programmi di osservazione come il JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). La straordinaria sensibilità del Webb alla luce infrarossa apre anche strade completamente nuove di ricerca su quando e come si sono formate tali galassie e sui loro effetti sull’Universo al tempo noto come alba cosmica. I ricercatori che studiano una di quelle galassie primitive hanno ora fatto una scoperta nello spettro della sua luce, che sfida la nostra consolidata comprensione della storia iniziale dell’Universo.

Webb ha scoperto la galassia incredibilmente distante JADES-GS-z13-1, osservata a soli 330 milioni di anni dal Big Bang, in immagini scattate dalla NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb come parte del programma JADES. I ricercatori hanno utilizzato la luminosità della galassia in diversi filtri a infrarossi per stimare il suo redshift, che misura la distanza di una galassia dalla Terra in base a come la sua luce è stata allungata durante il suo viaggio attraverso lo spazio in espansione.

Le immagini NIRCam hanno prodotto una stima iniziale del redshift di 12,9. Cercando di confermare il suo redshift estremo, un team internazionale guidato da Joris Witstok dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, nonché dal Cosmic Dawn Center e dall’Università di Copenaghen in Danimarca, ha poi osservato la galassia utilizzando lo strumento Near-Infrared Spectrograph ( NIRSpec ) di Webb.

Nello spettro risultante, il redshift è stato confermato essere 13,0. Ciò equivale a una galassia vista solo 330 milioni di anni dopo il Big Bang, una piccola frazione dell’età attuale dell’Universo di 13,8 miliardi di anni. Ma è emersa anche una caratteristica inaspettata: una lunghezza d’onda specifica e distintamente luminosa della luce, identificata come l’emissione Lyman-α irradiata dagli atomi di idrogeno. Questa emissione era molto più forte di quanto gli astronomi pensassero possibile in questa fase iniziale dello sviluppo dell’Universo. E’ quanto si legge in un articolo ESA.

Le dichiarazioni

“L’Universo primordiale era immerso in una fitta nebbia di idrogeno neutro”, ha spiegato Roberto Maiolino, membro del team dell’Università di Cambridge e dell’University College di Londra. “La maggior parte di questa foschia è stata sollevata in un processo chiamato reionizzazione, che è stato completato circa un miliardo di anni dopo il Big Bang. GS-z13-1 è visibile quando l’Universo aveva solo 330 milioni di anni, eppure mostra una firma sorprendentemente chiara e rivelatrice di emissione Lyman-α che può essere vista solo una volta che la nebbia circostante si è completamente sollevata. Questo risultato è stato totalmente inaspettato dalle teorie sulla formazione delle galassie primordiali e ha colto di sorpresa gli astronomi”. 

Prima e durante l’epoca della reionizzazione, le immense quantità di nebbia di idrogeno neutro che circondavano le galassie bloccavano qualsiasi luce ultravioletta energetica da esse emessa, proprio come l’effetto filtrante del vetro colorato. Finché non si fossero formate abbastanza stelle e non fossero state in grado di ionizzare il gas idrogeno, nessuna luce del genere, inclusa l’emissione di Lyman-α, sarebbe potuta fuoriuscire da queste galassie nascenti per raggiungere la Terra. La conferma della radiazione di Lyman-α da questa galassia, quindi, ha grandi implicazioni per la nostra comprensione dell’Universo primordiale. Il membro del team Kevin Hainline dell’Università dell’Arizona negli Stati Uniti, afferma: “non avremmo dovuto trovare una galassia come questa, data la nostra comprensione del modo in cui si è evoluto l’Universo. Potremmo pensare all’Universo primordiale come avvolto da una fitta nebbia che renderebbe estremamente difficile trovare anche potenti fari che sbirciano attraverso, eppure qui vediamo il raggio di luce di questa galassia che perfora il velo. Questa affascinante linea di emissione ha enormi ramificazioni su come e quando l’Universo si è reionizzato”. 

La fonte della radiazione Lyman-α di questa galassia non è ancora nota, ma potrebbe includere la prima luce della prima generazione di stelle formatesi nell’Universo. Witstok spiega: “la grande bolla di idrogeno ionizzato che circonda questa galassia potrebbe essere stata creata da una peculiare popolazione di stelle, molto più massicce, più calde e più luminose delle stelle formatesi in epoche successive, e forse rappresentative della prima generazione di stelle”. Un potente nucleo galattico attivo (AGN), guidato da uno dei primi buchi neri supermassicci, è un’altra possibilità identificata dal team.

I nuovi risultati non avrebbero potuto essere ottenuti senza l’incredibile sensibilità al vicino infrarosso di Webb, necessaria non solo per trovare galassie così distanti, ma anche per esaminarne gli spettri nei minimi dettagli. L’ex scienziato del progetto NIRSpec, Peter Jakobsen del Cosmic Dawn Center e dell’Università di Copenhagen in Danimarca, ricorda: “seguendo le orme del telescopio spaziale Hubble, era chiaro che Webb sarebbe stato in grado di trovare galassie sempre più distanti. Come dimostrato dal caso di GS-z13-1, tuttavia, sarebbe sempre stata una sorpresa ciò che avrebbe potuto rivelare sulla natura delle stelle nascenti e dei buchi neri che si formano sull’orlo del tempo cosmico”.

Il team pianifica ulteriori osservazioni di follow-up di GS-z13-1, con l’obiettivo di ottenere maggiori informazioni sulla natura di questa galassia e sull’origine della sua forte radiazione Lyman-α. Qualunque cosa la galassia nasconda, è certo che illuminerà una nuova frontiera nella cosmologia. Questa nuova ricerca è stata pubblicata oggi su Nature.