Immagine infrarossa altamente dettagliata del JWST di stelle in formazione attiva.
Gli astronomi stanno vivendo un periodo fruttuoso di scoperte, indagando sui molti misteri dell’universo primordiale. Il successo del lancio del James Webb Space Telescope (JWST), successore del telescopio spaziale Hubble della NASA, ha spinto il limite di ciò che possiamo vedere.
Le osservazioni stanno entrando nei primi 500 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo aveva meno del 5% della sua età attuale. Per gli esseri umani, questo tempo collocherebbe l’universo in una fase infantile.
Tuttavia, le galassie che stiamo osservando non sono certo infantili: le nuove osservazioni rivelano galassie più massicce e mature di quanto ci si aspettasse in precedenza per tempi così precoci, contribuendo a riscrivere la nostra comprensione della formazione e dell’evoluzione delle galassie.
Un team di ricerca internazionale ha recentemente effettuato osservazioni dettagliate senza precedenti di una delle prime galassie conosciute, denominata Gz9p3 e ora pubblicata su Nature Astronomy.
Il suo nome deriva dalla Glass collaboration (il nome del team di ricerca internazionale) e dal fatto che la galassia si trova a un redshift di z=9,3, dove il redshift è un modo per descrivere la distanza di un oggetto: da qui G e z9p3.
Il James Webb Telescope – il più grande e potente dispositivo di questo tipo mai lanciato nello spazio – utilizza uno specchio primario di 6,5 metri, composto da 18 specchi esagonali, rivestiti con una placcatura d’oro per produrre alcune delle prime immagini dell’universo.
Solo un paio di anni fa, Gz9p3 appariva come un singolo punto di luce attraverso il telescopio spaziale Hubble. Ma utilizzando il James Webb Space Telescope abbiamo potuto osservare questo oggetto come si trovava 510 milioni di anni dopo il Big Bang, circa 13 miliardi di anni fa.
Abbiamo scoperto che Gz9p3 era molto più massiccio e maturo di quanto ci si aspettasse per un universo così giovane, contenendo già diversi miliardi di stelle.
È stato calcolato come l’oggetto più massiccio confermato in questo periodo, 10 volte più massiccio di qualsiasi altra galassia trovata all’inizio dell’universo.
L’insieme di questi risultati suggerisce che, per raggiungere queste dimensioni, le stelle devono essersi sviluppate molto più velocemente e in modo più efficiente di quanto si pensasse.
Gz9p3, la galassia di merging più luminosa conosciuta nei primi 500 milioni di anni dell’universo (osservata con JWST) A sinistra: le immagini dirette mostrano un nucleo doppio nella regione centrale. A destra: I contorni del profilo di luce rivelano una struttura allungata a grumi prodotta dalla fusione di galassie.
La più lontana fusione di galassie nell’universo primordiale
Non solo questa Gz9p3 è massiccia, ma la sua forma complessa la identifica immediatamente come una delle prime fusioni di galassie mai osservate.
L’immagine JWST della galassia mostra una morfologia tipicamente associata a due galassie interagenti. E la fusione non è ancora terminata, perché si vedono ancora due componenti.
Quando due oggetti massicci si uniscono in questo modo, di fatto gettano via un po’ di materia nel processo. Quindi, questa materia scartata suggerisce che quella che abbiamo osservato è una delle fusioni più distanti mai viste.
Lo studio è poi andato più a fondo, per descrivere la popolazione di stelle che compongono le galassie in fusione. Utilizzando il JWST, Gli scienziati sono stati in grado di esaminare lo spettro della galassia, dividendo la luce nello stesso modo in cui un prisma divide la luce bianca in un arcobaleno.
Quando si utilizzano solo le immagini, la maggior parte degli studi su questi oggetti molto distanti mostra solo stelle molto giovani, perché le stelle più giovani sono più luminose e quindi la loro luce domina i dati delle immagini.
Ad esempio, una popolazione giovane e luminosa, nata dalla fusione di galassie, con un’età inferiore a pochi milioni di anni, oscura una popolazione più vecchia, che ha già superato i 100 milioni di anni.
Utilizzando la tecnica della spettroscopia, possiamo produrre osservazioni così dettagliate da poter distinguere le due popolazioni.
Le osservazioni forniscono la prova di un rapido ed efficiente accumulo di stelle e metalli nel periodo immediatamente successivo al Big Bang.
Nuovi modelli dell’universo primordiale
Una popolazione così matura e anziana non era prevista, considerando che le stelle si sarebbero dovute formare presto per essere sufficientemente invecchiate in questo periodo cosmico. La spettroscopia è così dettagliata che possiamo vedere le sottili caratteristiche delle vecchie stelle che ci dicono che c’è più di quanto si pensi.
Gli elementi specifici rilevati nello spettro (tra cui silicio, carbonio e ferro) rivelano che questa popolazione più vecchia deve esistere per arricchire la galassia con un’abbondanza di sostanze chimiche.
A sorprendere non sono solo le dimensioni delle galassie, ma anche la velocità con cui sono cresciute fino a raggiungere uno stato chimicamente maturo.
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 le galassie massicce con diversi miliardi di stelle sono esistite prima del previsto.
Le galassie isolate costruiscono la loro popolazione di stelle in situ, a partire dai loro serbatoi finiti di gas, ma questo può essere un modo lento per far crescere le galassie.
Le interazioni tra galassie possono attirare nuovi flussi di gas incontaminato, fornendo carburante per una rapida formazione stellare, mentre le fusioni forniscono un canale ancora più accelerato per l’accumulo di massa e la crescita.
Le galassie più grandi dell’universo moderno hanno tutte una storia di fusioni, compresa la nostra Via Lattea che è cresciuta fino alle dimensioni attuali grazie a fusioni successive con galassie più piccole.
Queste osservazioni di Gz9p3 mostrano che le galassie erano in grado di accumulare rapidamente massa nell’universo primordiale attraverso le fusioni, con efficienze di formazione stellare superiori a quelle previste.
Questa e altre osservazioni effettuate con il JWST stanno inducendo gli astrofisici a modificare la loro modellazione dei primi anni dell’universo.
La nostra cosmologia non è necessariamente sbagliata, ma probabilmente lo è la nostra comprensione della velocità di formazione delle galassie, che sono più massicce di quanto avessimo mai creduto possibile.
Questi nuovi risultati arrivano al momento giusto, mentre ci avviciniamo al traguardo dei due anni di osservazioni scientifiche effettuate con il JWST.
Con l’aumento del numero totale di galassie osservate, gli astronomi che studiano l’universo primordiale stanno passando dalla fase di scoperta a un periodo in cui disponiamo di campioni sufficientemente ampi per iniziare a costruire e perfezionare nuovi modelli.
Non c’è mai stato un momento più eccitante per dare un senso ai misteri dell’universo primordiale.
La Macchina del Tempo 
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