La prima luce nell'universo

Perché l'universo appare in questo modo? Questa è una delle questioni aperte in astrofisica e fisica in generale. Nel corso dei suoi primi miliardi di anni, l’universo si è evoluto da un brodo disordinato di particelle ad alta energia in un insieme più organizzato di galassie e stelle, ma molti dettagli di questo processo ci sfuggono ancora.

In uno studio recente, un team internazionale di ricercatori ha analizzato le osservazioni del telescopio spaziale James Webb, concentrandosi sulle galassie nane dell’universo primordiale, e ha scoperto che queste galassie emettevano luce con un’intensità molto più elevata del previsto. Questa ricerca rappresenta una svolta nella nostra comprensione delle prime fonti di luce nell’universo.

Immediatamente dopo il Big Bang, l'universo subì una rapida espansione, raggiungendo temperature e livelli energetici estremamente elevati: la temperatura media delle particelle nell'universo era di circa 10^30 gradi Celsius.

A un calore così tremendo, le particelle subatomiche non potevano legarsi tra loro ed erano quindi prive di materia come la conosciamo oggi. Circa un secondo dopo, l’universo si raffreddò fino a circa un miliardo di gradi e le particelle subatomiche – gli elementi costitutivi della materia secondo il Modello Standard della fisica delle particelle – furono create, legate e formate protoni e neutroni.

Quando l’universo aveva circa venti minuti, si era già raffreddato fino a raggiungere temperature di centinaia di migliaia di gradi Celsius. Quindi i protoni e i neutroni iniziarono a legarsi con gli ioni di idrogeno, elio e litio.

A causa dell’elevata temperatura dell’universo, le particelle conservavano un’energia molto elevata, quindi gli elettroni non erano in grado di legarsi ai protoni per formare atomi stabili. Di conseguenza, gran parte dell’universo esisteva in uno stato di plasma, un ambiente di particelle elettricamente cariche orbitanti l’una attorno all’altra. Questo plasma bloccava la radiazione elettromagnetica, impedendo alla luce di diffondersi liberamente in tutto l'universo.

Nel corso dei successivi 370.000 anni, l’universo continuò a raffreddarsi fino a raggiungere la temperatura di circa 4.000 gradi. A questo punto gli elettroni poterono finalmente legarsi al plasma, creando atomi neutri. Durante questa fase è stata rilasciata la radiazione cosmica di fondo, che fornisce informazioni sull’universo primordiale. Questa radiazione è riuscita a percorrere lunghe distanze fino a noi perché non è stata ostacolata dalla presenza del plasma.

A questo punto, quando l’universo aveva circa 400.000 anni, era costituito principalmente da atomi neutri di idrogeno ed elio distribuiti uniformemente nello spazio. Non c'erano stelle, galassie o altri corpi celesti complessi a noi familiari nel cielo notturno di oggi. In particolare non c'erano fonti di luce e l'universo era coperto dalle tenebre.

Fu solo circa 20 milioni di anni dopo, mentre l’universo continuava ad espandersi e a raffreddarsi drasticamente, che si formarono le più antiche fonti di luce dell’universo. Gli astrofisici che studiano la storia dell'universo non sono ancora sicuri della natura e dell'origine di queste sorgenti luminose, di quando sono state create e di come.

Le teorie prevalenti riguardo alle più antiche fonti di luce nell’universo suggeriscono che potrebbero essere buchi neri massicci, galassie massicce o stelle giovani. Una teoria completa che spieghi la formazione delle stelle e delle galassie nell'universo primordiale non è stata ancora formulata, e i fisici stanno ancora cercando di capire quando e come sono apparse le prime fonti di luce nell'universo.

Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, lanciato alla fine del 2021, i ricercatori hanno iniziato a osservare galassie molto distanti. Poiché la luce viaggia a una velocità finita, la luce proveniente da galassie lontane impiega molto tempo per raggiungerci. I ricercatori hanno concentrato le loro osservazioni sulla luce emanata dalle galassie circa 13 miliardi di anni fa, che ora raggiunge il telescopio, permettendo loro di intravedere i processi avvenuti nell'universo primordiale.

Queste galassie lontane ci appaiono come erano miliardi di anni fa, quando erano giovani galassie che emettevano meno luce rispetto ad altri corpi cosmici. Pertanto, è difficile osservare galassie così distanti utilizzando metodi convenzionali.

Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica all’avanguardia: basata sulla teoria della relatività generale di Einstein, che proponeva che le masse pesanti potessero deformare lo spazio e piegare il percorso della luce che passa vicino a loro.

I ricercatori si sono concentrati sulle galassie situate dietro il massiccio ammasso di galassie Abell 2744, che, a causa della sua grande massa, agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo e focalizzando la luce proveniente da dietro di esso. Ciò ha permesso ai ricercatori di aumentare la quantità di luce che raggiunge il telescopio, facilitando osservazioni più accurate.

I ricercatori hanno analizzato la luce proveniente dalle galassie nane, che sono galassie che contengono solo circa un miliardo di stelle. In confronto, la Via Lattea in cui viviamo contiene centinaia di miliardi di stelle. I ricercatori hanno analizzato attentamente le osservazioni e hanno scoperto che queste galassie nane emettono radiazioni quattro volte più forti di quanto stimato in precedenza.

Inoltre, queste galassie nane erano più comuni nell’universo primordiale rispetto alle galassie più grandi. Di conseguenza, i ricercatori si aspettano che la maggior parte delle prime fonti di luce dell’universo fossero galassie di questo tipo.

Questo studio è un altro esempio dei risultati scientifici raggiunti con l'aiuto del telescopio spaziale James Webb. Sebbene i risultati siano degni di nota, i ricercatori sottolineano la necessità di ulteriori studi, comprese le osservazioni di un campione più ampio di galassie, per rafforzare la validità delle loro conclusioni.