La lente gravitazionale è uno degli strumenti più efficaci dell’astronomia per osservare l’Universo primordiale. Quando un massiccio ammasso di galassie si interpone tra l’osservatore e un oggetto lontano, la sua gravità ne devia e amplifica la luce, agendo come una gigantesca lente d’ingrandimento naturale. Grazie a questo fenomeno, diventano visibili galassie che altrimenti sarebbero troppo deboli per essere individuate. Sfruttando tale effetto, gli astronomi hanno identificato una galassia, soprannominata “Misty Moons“, esistita quando l’Universo aveva meno di 500 milioni di anni. Situata a un redshift compreso all’incirca tra 11 e 12, la galassia viene amplificata dalla gravità di un ammasso galattico in primo piano, il che ha permesso ai ricercatori di ricostruirne la struttura interna in uno studio pubblicato su The Astrophysical Journal.
Le galassie primordiali e i loro ammassi stellari
Il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha permesso di individuare numerose galassie risalenti all’Universo primordiale, quando questo aveva solo poche centinaia di milioni di anni. Alcune di esse appaiono sorprendentemente luminose e ricche di azoto, pur essendo di dimensioni estremamente ridotte. Secondo gli astronomi, tale luminosità potrebbe fornire indizi preziosi sugli ammassi globulari e sulle dinamiche di formazione stellare nell’Universo delle origini.
Gli ammassi stellari di epoche remote tendono a essere poveri di elementi pesanti. Sono inoltre estremamente densi: in alcuni casi, la loro densità è circa 1.000 volte superiore a quella degli ammassi stellari giovani che osserviamo nel nostro Universo locale. Per comprendere quale frazione delle stelle appena nate in una galassia finisca all’interno di ammassi stellari gravitazionalmente legati, i ricercatori utilizzano un parametro noto come “efficienza di formazione degli ammassi” (CFE). Alcuni studi hanno dimostrato che tale efficienza è correlata al tasso di formazione stellare. Dato che le galassie primordiali formavano stelle a ritmi elevati, è probabile che la loro CFE fosse molto alta.
Tuttavia, analizzare i singoli ammassi stellari all’interno di una galassia così remota è un’impresa complessa, poiché tali galassie sono troppo piccole e distanti per poter essere risolte nei loro singoli componenti. È qui che interviene l’ammasso galattico massiccio, fungendo da lente naturale: l’oggetto lontano appare più luminoso e ingrandito, consentendo agli astronomi di distinguere i singoli addensamenti stellari e di studiarne le proprietà. Proprio per questo motivo, gli astronomi stanno esaminando numerosi campi celesti in cui agisce l’effetto lente, alla ricerca di ulteriori esempi.
La galassia Misty Moons
In questo nuovo studio, un team di astronomi guidato da Minami Nakane dell’Università di Tokyo ha scoperto una galassia fortemente ingrandita e caratterizzata da una struttura a grumi (clumpy), con un redshift stimato tra 11 e 12. La galassia è stata individuata nelle immagini ottenute dallo strumento NIRCam del telescopio spaziale James Webb (JWST) nel campo dell’ammasso di galassie MACS0257-2325, ripreso attraverso 10 filtri di colore. A queste si sono aggiunte immagini precedenti del telescopio spaziale Hubble, acquisite tramite tre filtri. Soprannominata “Misty Moons“, la galassia appare come due macchie distinte (indicate come ID1 e ID2), che corrispondono alla stessa galassia. Le immagini scompaiono alle lunghezze d’onda più brevi. L’intervallo di redshift colloca la galassia in un’epoca cosmica compresa tra circa 370 e 410 milioni di anni dopo il Big Bang.
Il team ha elaborato due modelli di lente gravitazionale indipendenti per ricostruire la struttura interna della galassia. I modelli hanno previsto l’esistenza di cinque immagini della galassia: due di esse appaiono da 20 a 30 volte più luminose di quanto sarebbero senza l’effetto di ingrandimento. È stata inoltre individuata una terza possibile immagine, mentre le restanti due risultano troppo deboli per essere rilevate. I ricercatori hanno elaborato le immagini attenuandone la sfocatura, rendendo così ben visibili i piccoli punti luminosi. In questo modo sono stati identificati quattro grumi (clump) all’interno di ID1 e tre all’interno di ID2. Eliminando gli effetti della lente gravitazionale, è emerso che le due immagini condividono la medesima struttura.
Una struttura a grumi
Ogni grumo contiene circa 10 milioni di masse solari di stelle giovani, povere di polvere e con un’età compresa tra i 40 e i 70 milioni di anni. Per dimensioni e massa, questi agglomerati ricordano gli ammassi stellari nucleari o i giovani ammassi massicci osservati nell’Universo locale; potrebbero trattarsi di proto-ammassi globulari. Si stima che, nel loro insieme, tali grumi costituiscano almeno l’80% della massa stellare della galassia, il che suggerisce che, nell’Universo primordiale, la formazione stellare potesse concentrarsi in regioni estremamente compatte.
“Il confronto tra la struttura a grumi osservata in queste galassie e quella ottenuta tramite simulazioni nel corso del tempo cosmico suggerisce che le galassie a redshift più elevato tendano a essere più frammentate in grumi; un dato coerente con le osservazioni di numerose galassie ‘clumpy’ a redshift z > 6“, scrive il team nello studio. Tale caratteristica, tuttavia, risulta opposta a quanto osservato nelle galassie nane dell’Universo locale. Il team ha scoperto che Misty Moons è sede di un’intensa formazione stellare. La sua densità di formazione stellare è da 100 a 10.000 volte superiore a quella riscontrata nelle galassie nane dell’Universo locale. Secondo i ricercatori, è probabilmente questo elevato tasso a determinare la modalità di formazione dominata da “grumi”.
Tuttavia, esistono alcune galassie massicce nell’Universo locale che, pur presentando tassi di formazione stellare elevati, mostrano una percentuale decisamente inferiore di stelle che finiscono all’interno di ammassi. Il team conclude quindi che “le galassie dell’Universo primordiale (alto redshift) caratterizzate da una struttura a grumi si distinguono dalle galassie nane locali non solo per l’elevata densità superficiale di formazione stellare, ma anche per un processo di formazione stellare breve e a impulsi, tipico delle fasi iniziali di sviluppo della galassia“. Gli addensamenti centrali sono sufficientemente luminosi e compatti da non consentire al team di escludere un contributo da parte di un buco nero supermassiccio in fase di accrescimento attivo. Se tale contributo fosse presente, una parte della luce – e di conseguenza, forse, una parte della formazione stellare dedotta – potrebbe derivare dall’accrescimento attorno al buco nero anziché dalle stelle.