“Fari cosmici” – Webb rivela i segreti della prima luce dell'universo

Le osservazioni pionieristiche del telescopio spaziale James Webb rivelano il ruolo chiave delle galassie di piccola massa nella reionizzazione dell’universo primordiale, sfidando le teorie esistenti sull’evoluzione cosmica.

Gli scienziati che lavorano con i dati del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA hanno ottenuto i primi spettri completi di alcune delle stelle più antiche dell'universo. Le immagini forniscono il quadro più chiaro finora delle galassie neonate di massa molto bassa, che si sono formate meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, e suggeriscono che le galassie giovani hanno un ruolo centrale nella storia dell’origine cosmica.

Il team internazionale di ricercatori, tra cui due astrofisici della Penn State, ha recentemente pubblicato i propri risultati sulla rivista natura. Gli spettri rivelano parte della prima luce visibile proveniente da un periodo dell’universo noto come reionizzazione, alimentato dall’arrivo delle prime stelle e galassie.

Le immagini del campo profondo scattate dal James Webb Space Telescope della NASA hanno fornito i primi scorci di galassie estremamente deboli che i ricercatori hanno identificato come forti candidati per oggetti che hanno innescato la reionizzazione dell'universo. Fonte immagine: Hakim Atiq/Università della Sorbona/JWST

L'universo primordiale: la transizione dall'oscurità alla luce

La materia normale nell'universo iniziò come una nebbia calda e densa composta quasi interamente da nuclei di idrogeno ed elio, ha spiegato Joel Lyga, assistente professore di astronomia e astrofisica alla Penn State e autore dell'articolo. Mentre si espandeva e si raffreddava, i singoli protoni ed elettroni iniziarono a legarsi, formando per la prima volta idrogeno neutro. Circa 500-900 milioni di anni dopo la grande esplosioneL'idrogeno neutro, che prevaleva nell'universo primordiale, iniziò nuovamente a separarsi in gas ionizzato, stimolando la formazione di stelle e galassie e sollevando la nebbia primordiale in modo che la luce potesse viaggiare senza ostacoli attraverso l'universo per la prima volta.

“Qualcosa si è innescato e ha iniziato a pompare fotoni ad altissima energia nel vuoto tra le galassie”, ha detto Lyga. “Queste fonti agivano come fari cosmici che bruciavano la nebbia di idrogeno neutro. Qualunque cosa fosse, era così energica e persistente che l'intero universo si ionizzò di nuovo.”

Pionieri delle galassie: il ruolo delle galassie di piccola massa

Analizzando gli spettri di piccole galassie di piccola massa, gli scienziati hanno dimostrato che le piccole galassie erano forti candidate per la “cosa” che reionizzava l'universo riscaldando il denso gas primordiale attorno a loro e ionizzando l'idrogeno precedentemente neutro.

“Se altre galassie di piccola massa nell'universo sono comuni e vibranti come queste, allora pensiamo di essere finalmente arrivati ​​ai fari che bruciavano la nebbia cosmica”, ha detto Lyga. “Erano stelle incredibilmente attive in molte, molte piccole galassie”.

Leija ha aggiunto che si prevede che la maggior parte delle galassie nell’universo primordiale siano relativamente piccole, il che rende molto difficile studiarne la frequenza e le proprietà. Grazie a una svolta tecnologica resa possibile dalla combinazione unica tra la sensibilità del telescopio spaziale James Webb e l’effetto di lente gravitazionale dell’ammasso Abell 2744 – galassie vicine che agiscono come lenti di ingrandimento cosmiche, distorcendo lo spazio e amplificando la luce delle galassie sullo sfondo – È ora possibile determinare l'abbondanza di piccole galassie e le loro proprietà ionizzanti entro un miliardo di anni. Per la prima volta nell'universo.

“Abbiamo scoperto che durante quest’epoca di reionizzazione dell’universo le galassie piccole superano in numero quelle massicce di circa cento a uno”, ha affermato Hakim Atiq, astrofisico dell’Università della Sorbona, ricercatore presso l’Istituto di astrofisica di Parigi e primo autore dell’articolo. detto in un comunicato stampa. “Queste nuove osservazioni rivelano anche che queste piccole galassie hanno prodotto una grande quantità di fotoni ionizzanti, superiori a quattro volte i valori fondamentali normalmente assunti per le galassie distanti. Ciò significa che il flusso totale di fotoni ionizzanti emessi da queste galassie supera di gran lunga la soglia richiesta per la reionizzazione”.

Tracciare l'evoluzione cosmica: direzioni future

Il team della Penn State ha guidato la modellazione per l’indagine UNCOVER, che ha preso di mira il grande ammasso di galassie in primo piano che ha ripreso le galassie più piccole e più distanti. I ricercatori della Penn State hanno analizzato tutti i minuscoli punti luminosi nella scansione per comprendere le proprietà dell'oggetto, la sua massa e le probabili distanze. Questa analisi è stata poi utilizzata per guidare le osservazioni JWST più dettagliate che hanno portato a questa scoperta, ha spiegato Lija.

Prima di questi risultati, c’erano una serie di ipotesi che identificavano altre fonti responsabili della reionizzazione cosmica, come i buchi neri supermassicci; Grandi galassie con una massa superiore al miliardo di masse solari; E piccole galassie con una massa inferiore a un miliardo di masse solari. I ricercatori hanno affermato che confermare l’ipotesi relativa alle galassie di piccola massa si è rivelato particolarmente difficile, data la loro bassa luminosità, ma i nuovi risultati forniscono la prova più chiara finora che le galassie di piccola massa hanno svolto un ruolo centrale nella reionizzazione dell’universo.

I ricercatori ora vogliono espandere lo studio su una scala più ampia per garantire che la posizione specifica analizzata rappresenti la distribuzione media delle galassie nell’universo. Oltre al processo di reionizzazione, le loro osservazioni forniscono informazioni sul processo di formazione iniziale delle stelle, su come le galassie si sono formate dal gas primordiale e su come si sono evolute nell’universo che conosciamo oggi.

Riferimento: “La maggior parte dei fotoni che hanno reionizzato l’universo provenivano da galassie nane” di Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. WilliamsSam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Green, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich, and Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara e Daniel B. Stark, Mauro Stefanone, and Katherine A. Suss, Bingjie Wang e Catherine E. Whitaker, 28 febbraio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, ricercatore post-dottorato in astrofisica, è l’altro coautore dello studio della Penn State. Un elenco completo degli autori e delle loro istituzioni è disponibile nell'articolo pubblicato. I ricercatori riconoscono il finanziamento e il sostegno del Centro nazionale francese per gli studi spaziali, del Programma nazionale per la cosmologia e le galassie, del CEA, del Cosmic Dawn Centre, della Fondazione nazionale danese per la ricerca, dell'Australian Research Council, NOW, del Programma Rosalind Franklin del Fondo Comune della Commissione Europea e Università di Groningen. US-Israel National Science Foundation, US National Science Foundation (NSF), Ministero della Scienza e della Tecnologia, Israele e NOIRLabÈ gestito dal Consorzio delle Università per la Ricerca in Astronomia in base ad un accordo di cooperazione con NSF.