Scoperte le due galassie più lontane mai osservate, quando l’Universo aveva solo 290 milioni di anni

Non passa mese senza che il telescopio spaziale James Webb non ci regali un nuovo record o una nuova immagine mozzafiato. L'ultimo record battuto consiste nella scoperta delle due galassie più lontane mai osservate, chiamate Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1. Pensate che queste galassie sono state osservate quando l'universo aveva solo 290 milioni di anni, praticamente giovanissimo se confrontato all'età attuale dell'universo di 13,8 miliardi di anni. L'importanza della scoperta non risiede nel solo record di distanza, ma anche nel fatto che l'osservazione di questi oggetti ci aiuta a capire quando e come le prime galassie si sono formate nell'universo.

La scoperta delle galassie più distanti a 290 milioni di anni dal Big Bang

C'è anche un po' di Italia in questo record poiché l'articolo che riporta la scoperta di queste due galassie distanti è guidato dal fisico Stefano Carniani della Scuola Normale Superiore di Pisa. Le due galassie sono state scoperte grazie ai dati della collaborazione internazionale Jades (Jwst Advanced Deep Extragalactic Survey).

Sia Jades-Gs-z14-0 che Jades-Gs-z14-1 erano già state osservate da James Webb con gli strumenti di imaging MIRI e NirCam che lavorano nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso. Usare solamente le immagini è tuttavia un modo impreciso di misurare le distanze in astronomia: per questo gli astronomi hanno utilizzato lo strumento NirSpec che scompone la luce delle galassie nelle sue lunghezze d'onda costituenti, permettendo così di ottenere una stima precisa della distanza.

I dati hanno mostrato come Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 hanno un redshift di 14.3 e 13.9 rispettivamente. Redshift 14 corrisponde a circa 13,5 miliardi di anni-luce e siccome maggiore è la distanza e più antica è l’epoca cosmica da cui la luce è partita, questa distanza corrisponde ad una età dell'universo di circa 300 milioni di anni. La luce di Jades-Gs-z14-0, la più lontana delle due, è quindi partita dalla galassia quando l'universo aveva solo 290 milioni di anni, un bambino se confrontata all'età attuale di 13,8 miliardi di anni.

Dall'analisi dei dati, gli astronomi hanno scoperto che le due galassie sono molto brillanti per l'epoca cosmica in cui si trovano. Entrambe hanno una massa di circa un centinaio di milioni di volte quella del Sole e stanno formando nuove stelle ad un ritmo frenetico di più di 10 masse solari all'anno. Data l'età dell'universo a cui esse si trovano e la loro massa, questi due oggetti sono stati molto efficienti nel produrre stelle. Secondo gli astronomi hanno raggiunto la loro massa grazie ad una intensa formazione stellare di poche decine di milioni di anni, un numero davvero rapido se confrontato con quello atteso da precedenti osservazioni.

L'importanza della scoperta “record” del telescopio spaziale James Webb

Prima dell'avvento di James Webb, l'opinione diffusa tra gli astronomi è che l'universo primordiale fosse costituito da galassie appena formatesi e poco brillanti. Tali ipotesi erano supportate dai risultati ottenuti delle osservazioni condotte dal telescopio spaziale Hubble e dalle predizioni delle simulazioni numeriche.

Tuttavia JWST ha rivoluzionato completamente questo scenario. Più il telescopio osservava l'universo nell'infrarosso, più venivano scovate galassie sempre più lontane e troppo brillanti per esistere a quell'epoca dell'Universo. Jades-Gs-z14-0, la più lontana delle due, è decisamente diversa da ciò che gli astronomi si attendevano poiché è già ricca di polveri e atomi di ossigeno prodotti dalla intensa formazione stellare al suo interno.

Se infatti le simulazioni numeriche prevedono che una galassia così evoluta non possa esistere così vicina al Big Bang, le osservazioni ci dicono invece chiaramente che tali galassie esistono e si formano ed evolvono molto più velocemente di quello che si pensava. Addirittura lo studio che riporta la scoperta di Jades-Gs-z14-0 afferma che la galassia sia arrivata al suo stadio attuale in soli dieci milioni di anni.

Questo studio mostra come ciò che si conosceva circa i processi fisici che regolano la formazione delle galassie va decisamente rivisto. La scoperta di JWST di una abbondanza di galassia luminose nell'universo primordiale suggerisce infatti che le galassie si sviluppano molto più rapidamente di quello che si pensava. Continuando di questo ritmo, gli astronomi non sarebbero sorpresi di trovare grazie a JWST galassie ancora più lontane, a redshift 20/30, cioè quando l’universo aveva solo 100-150 milioni di anni. Oggetti del genere dovrebbero non solo portare ad una riscrittura dei libri di astrofisica, ma inizierebbero a picconare anche le basi principali della cosmologia.

Come gli astronomi hanno misurato la distanza delle due galassie

Gli astronomi sono riusciti a misurare la distanza delle galassie Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 attraverso lo spettro elettromagnetico ottenuto dallo strumento NirSpec. Semplificando, lo spettro mostra quanto è luminosa la galassia in funzione della lunghezza d'onda della luce che ci proviene da essa. Più la galassia è luminosa, più luce ci giunge in una certa lunghezza d'onda e più lo spettro è intenso.

La luce di una galassia contiene informazioni sulle stelle, sul gas e sulle polveri in essa contenute. In particolare, gli elementi chimici contenuti in ognuna di queste componenti emetteranno luce in una certa lunghezza d'onda dando origine a caratteristiche come le righe di assorbimento o di emissione di uno spettro.

Identificando un particolare elemento chimico, gli astronomi confrontano la lunghezza d'onda misurata sullo spettro con quella che l'elemento chimico emette sulla Terra. L'espansione dell'universo fa si che la luce proveniente da oggetti lontani si sposti verso il rosso e lo faccia tanto di più quanto più l'oggetto è lontano. Lo stesso succede alla luce prodotta dagli elementi chimici, per cui dal confronto con l'emissione a Terra, gli astronomi stimano quanto è distante la galassia.

In questo particolare studio, gli astronomi hanno utilizzato il Lyman-break per stimare la distanza da Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1. Il Lyman-break è una netta discontinuità nello spettro elettromagnetico causato dall'assorbimento della luce della galassia da parte degli atomi di idrogeno neutro presenti nell’universo. Il Lyman-break dà origine ad una peculiare forma a scalino nello spettro elettromagnetico. A Terra, la lunghezza d'onda di questo scalino si trova nell'ultravioletto, mentre nello spettro di Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 nell'infrarosso, cosa possibile solo se le due galassie sono lontanissime da noi.

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