Quando l’Universo era ancora agli albori – appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang, ovvero circa il 3% della sua età attuale – si erano già formate alcune delle prime stelle e galassie. Gli astronomi avevano ipotizzato a lungo che gran parte del gas circostante queste giovani galassie fosse rimasto pressoché incontaminato, composto principalmente da idrogeno ed elio, gli ingredienti primordiali disponibili nel cosmo appena nato. Secondo uno studio pubblicato sulla rivista Nature Astronomy da astronomi dell’Università dell’Arizona, questo scenario probabilmente non è corretto. Al contrario, le galassie stavano già arricchendo il cosmo di elementi pesanti, come ossigeno e carbonio, molto prima di quanto previsto dagli astronomi.
“Abbiamo osservato che gli elementi pesanti fuoriuscivano dalle galassie molto, molto presto nella storia del cosmo“, ha affermato Yongda Zhu, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Astronomia e lo Steward Observatory dell’Università dell’Arizona. “Le galassie non solo producevano questi elementi, ma li disperdevano anche, arrivando forse a ‘seminarli‘ in altre galassie“.
Come l’Universo ha acquisito i suoi elementi
Nell’Universo primordiale, il cosmo conteneva ben poco oltre a idrogeno ed elio, i due elementi più semplici situati in cima alla tavola periodica. Nel corso del tempo, la gravità ha aggregato nubi di questi elementi semplici formando stelle; al loro interno, le immense pressioni e temperature hanno permesso alla fusione nucleare e ad altre reazioni di creare elementi più complessi e pesanti, come carbonio e ossigeno. Quando le stelle si spegnevano o terminavano il loro ciclo vitale come supernove, rilasciavano questi elementi pesanti nello spazio, dove diventavano i mattoni fondamentali per le generazioni future di stelle, pianeti e, infine, della vita. Persino il carbonio presente nei nostri corpi e l’ossigeno che respiriamo sono stati forgiati in generazioni stellari precedenti. Fino ad ora, tuttavia, non era chiaro come e quando gli elementi più pesanti venissero trasportati dalle prime galassie verso l’Universo circostante.
Osservare le prime galassie
La ricerca di Zhu si è concentrata su tre galassie primordiali la cui luce ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni, mostrandole così come apparivano circa 500 milioni di anni dopo il Big Bang, durante un periodo cosmico noto come Epoca della Reionizzazione. A quell’epoca, le prime generazioni di stelle e galassie stavano trasformando l’Universo primordiale ionizzando il gas di idrogeno interposto tra loro. Questo processo, durante il quale gli elettroni venivano strappati ai nuclei di idrogeno, pose gradualmente fine ai “secoli bui” cosmici, permettendo alla luce ultravioletta di propagarsi più liberamente attraverso l’Universo.
“Abbiamo utilizzato le galassie stesse come sorgenti di luce di fondo”, ha affermato Zhu. “Mentre la luce proveniente dalle galassie viaggiava verso la Terra, attraversava il gas circostante; analizzando i pattern di assorbimento di tale luce, siamo riusciti a rilevare elementi specifici”. Le osservazioni di queste antiche galassie sono state rese possibili solo grazie alle capacità nell’infrarosso del telescopio spaziale James Webb della NASA, che ha permesso ai ricercatori di osservare le galassie così come apparivano circa 13 miliardi di anni fa. Le quasi 30 ore di esposizione hanno fornito luce a sufficienza per rilevare deboli pattern di assorbimento negli spettri di queste galassie lontane.
Nel corso di una lunga notte, Zhu ha esaminato manualmente gli spettri di centinaia di galassie (resi pubblici dal JWST) e ne ha individuate tre che mostravano pattern di assorbimento indicativi della presenza di elementi pesanti, tra cui carbonio, ossigeno e silicio. Le righe di assorbimento risultavano spostate verso il blu (“blue-shifted”) rispetto al redshift delle galassie, indicando che il gas si stava allontanando dalle galassie stesse, trasportando ossigeno, carbonio e altri elementi pesanti nello spazio intergalattico. Le impronte chimiche di queste galassie primordiali ricordavano da vicino quelle di galassie evolutesi miliardi di anni più tardi; ciò dimostra che, già all’alba dei tempi cosmici, le galassie producevano e diffondevano elementi pesanti nello spazio circostante.
“Immaginate questi elementi, originati dalle stelle delle galassie, come del colorante alimentare versato in una tazza d’acqua”, ha spiegato Zhu. “Il colore inizia a diffondersi nell’acqua e, allo stesso modo, gli elementi pesanti provenienti dalle prime galassie hanno iniziato a disperdersi nello spazio, ‘arricchendo’ l’ambiente circostante”.
Ciclo barionico
Il processo attraverso il quale le galassie si scambiano materiale è noto come “ciclo barionico“. È una delle ragioni per cui le galassie non sono sistemi isolati, bensì parti interconnesse di un ecosistema galattico più ampio. Il materiale prodotto da una generazione di stelle può essere riciclato e ridistribuito all’interno di questo ecosistema galattico.
La scoperta di un ciclo barionico precoce potrebbe anche aiutare a spiegare perché gli astronomi abbiano avuto difficoltà a individuare la prima generazione di stelle, nota come stelle di Popolazione III. Si ritiene che queste siano state le primissime stelle formatesi da gas incontaminato, composto esclusivamente da idrogeno ed elio, prima ancora che elementi più pesanti venissero prodotti e diffusi nell’Universo. Se le galassie stavano già arricchendo l’ambiente circostante appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang, è possibile che il gas veramente incontaminato – e le stelle di Popolazione III da esso originate – non siano rimasti presenti abbastanza a lungo da poter essere osservati.
“Se parti con del semplice gelato alla vaniglia ma inizi subito ad aggiungervi delle codette colorate, non passerà molto tempo prima che non sia più possibile trovare del gelato alla vaniglia puro e incontaminato“, ha affermato Zhu.
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