A prima vista sembra quasi un’immagine uscita da una gigantesca casa degli specchi: galassie allungate, incurvate e perfino ripetute in più punti del campo visivo. In realtà, dietro questa spettacolare deformazione si nasconde uno dei fenomeni più affascinanti previsti dalla relatività generale di Einstein: la lente gravitazionale. A mostrarne gli effetti è una nuova osservazione del James Webb Space Telescope, il grande osservatorio spaziale sviluppato da NASA, ESA e CSA. Al centro dell’immagine si trova l’ammasso di galassie MACS J0454.1-0300, un gigantesco insieme di galassie la cui enorme massa modifica il percorso della luce proveniente da oggetti ancora più lontani.
Una lente grande quanto un ammasso di galassie
La gravità non agisce soltanto sui corpi dotati di massa: può anche modificare il percorso della luce. Quando un oggetto estremamente massiccio, come un ammasso di galassie, si trova tra noi e una sorgente molto più distante, la sua gravità può incurvare i raggi luminosi provenienti da quest’ultima. Il risultato è simile a quello prodotto da una lente ottica, con una differenza fondamentale: in questo caso non c’è una lente costruita dall’uomo. È la gravità stessa a svolgere questo ruolo.
MACS J0454.1-0300 funziona così come una gigantesca lente cosmica. Le galassie che si trovano dietro l’ammasso possono apparire più grandi e luminose di quanto sarebbero normalmente visibili. La loro luce può inoltre essere deformata fino a produrre archi e immagini multiple della stessa galassia. È proprio questo effetto a creare l’aspetto quasi surreale della fotografia.
Guardare lontano significa guardare indietro nel tempo
MACS J0454.1-0300 è a una distanza enorme dalla Terra. La luce che osserviamo oggi ha viaggiato per miliardi di anni e ci permette quindi di vedere l’ammasso come appariva quando l’Universo aveva circa 8 miliardi di anni. Le lenti gravitazionali però permettono di spingersi ancora più indietro. Tra le immagini deformate dagli effetti gravitazionali dell’ammasso si riconoscono infatti galassie e gruppi di galassie appartenenti a epoche molto più remote. Alcune risalgono a un periodo in cui l’Universo aveva appena 2 miliardi di anni, mentre un’altra galassia osservata attraverso la lente risale a un’epoca in cui il cosmo aveva appena 800 milioni di anni. In altre parole, Webb non sta semplicemente fotografando oggetti lontani: sta osservando differenti capitoli della storia dell’Universo.
Galassie moltiplicate e archi quasi invisibili
L’effetto della lente gravitazionale non riguarda soltanto le grandi galassie più evidenti. Osservando attentamente l’immagine, anche alcune piccole galassie rossastre sullo sfondo mostrano forme insolite. In diversi punti, persino vicino ai bordi dell’immagine, la loro luce appare piegata in minuscoli archi. Queste deformazioni sono una traccia della presenza e della distribuzione della massa di MACS J0454.1-0300. Studiando come la luce degli oggetti lontani viene distorta, gli astronomi possono infatti ricavare informazioni sulla struttura dell’ammasso e sulla massa che esso contiene. La lente gravitazionale diventa così non soltanto uno strumento per osservare oggetti lontanissimi, ma anche un modo per studiare ciò che si trova tra noi e quegli oggetti.
Una lente capace di ingrandire regioni minuscole
Uno degli aspetti più sorprendenti dell’immagine riguarda la possibilità di distinguere dettagli estremamente piccoli. All’interno delle regioni interessate dalla lente gravitazionale, gli astronomi hanno individuato singoli “nodi” luminosi, corrispondenti a zone di formazione stellare grandi appena circa 5 anni luce. In alcuni casi, l’effetto della lente produce un ingrandimento superiore a 300 volte. È come se la natura avesse costruito un enorme telescopio aggiuntivo: la massa dell’ammasso amplifica la luce di oggetti che, senza questo effetto, sarebbero troppo lontani e deboli per essere studiati con altrettanta precisione.
Un Universo giovane pieno di stelle
Le galassie più antiche osservate in questa immagine non sono soltanto lontane nel tempo. Raccontano anche qualcosa sulle condizioni dell’Universo primordiale. Uno dei gruppi di galassie osservati attraverso la lente sembra essere coinvolto in un processo di fusione. Questo tipo di interazione può innescare enormi episodi di formazione stellare, trasformando le galassie in vere e proprie fabbriche di nuove stelle. La lente gravitazionale permette quindi agli astronomi di studiare anche come le galassie si siano assemblate e trasformate durante le prime fasi della storia cosmica.
Webb vede ciò che prima era nascosto
La spettacolare osservazione acquista ancora più significato se confrontata con una precedente immagine dello stesso ammasso, ottenuta nel 2014 dal telescopio spaziale Hubble. Il confronto è sorprendente. L’immagine di Webb rivela centinaia di galassie che nella precedente osservazione non erano visibili. Non significa che queste galassie siano comparse improvvisamente. Erano già lì. Semplicemente, la loro luce è particolarmente debole e tende verso lunghezze d’onda più rosse, proprio il tipo di radiazione a cui il James Webb Space Telescope è particolarmente sensibile. Grazie alle sue capacità, Webb riesce quindi a portare alla luce una popolazione di galassie che in precedenza rimaneva quasi completamente nascosta.
Una fotografia che è anche una macchina del tempo
L’immagine di MACS J0454.1-0300 mostra quanto sia particolare il modo in cui osserviamo l’Universo. Le galassie che vediamo non sono tutte contemporanee: alcune appartengono a epoche cosmiche differenti e la loro luce ha percorso distanze enormi prima di raggiungere i nostri telescopi. L’ammasso che fa da lente, nel frattempo, trasforma questa luce, la incurva e in alcuni casi la amplifica. Il risultato è una fotografia che sembra quasi deformare lo spazio e il tempo. Quelle forme insolite perl non sono un’illusione: sono la traccia concreta della gravità che agisce sulla luce. Proprio grazie a questa gigantesca “casa degli specchi” cosmica, il James Webb Space Telescope può osservare galassie lontanissime, regioni di formazione stellare grandi pochi anni luce e frammenti dell’Universo quando era ancora molto giovane. Quella che sembra una distorsione, dunque, è in realtà una finestra, una finestra aperta sul passato più remoto del cosmo.
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