In mostra la “bella confusione” del primo miliardo di anni

Susan CassinLui, un astronomo dello Space Telescope Science Institute, ha mostrato le immagini degli osservatori precedenti rispetto a quelle del James Webb Space Telescope. Era come se l’oculista girasse la lente in modo che le ultime linee sulla tabella degli occhi fossero a fuoco. “Grazie Webb, questa è una differenza di 10 miliardi di dollari”, ha detto. La gente rideva e annuiva.

Il telescopio spaziale James Webb è unico nella sua capacità di vedere un universo giovane, che si è allontanato da noi nello spazio e nel tempo. I suoi sensori a infrarossi, la sua posizione estremamente fredda nello spazio e la sua eliosfera – che blocca la luce proveniente dal Sole, dalla Luna e dalla Terra – sono particolarmente adatti per identificare le prime galassie e le loro stelle. Questi oggetti sono troppo deboli e hanno lunghezze d’onda errate per essere visti da osservatori precedenti, come il telescopio spaziale Hubble.

Per gli astronomi le atmosfere sono collettive. Molte delle presentazioni alla conferenza KITP includevano inviti a collaboratori e partner a condividere idee.

“È stata una competizione pazzesca quando sono caduti i primi dati. Ora si tratta di trovare idee”, ha detto. Caitlin Casey Dall’Università del Texas, Austin. “C’è un’enorme quantità di dati e tutti ne hanno abbastanza”.

Astrofisico Rachel SomervilleLa comunità sta cercando di comprendere i dati del telescopio spaziale James Webb e le loro implicazioni, ha affermato lui, che ha co-organizzato l’incontro. Gli osservatori vedono cose che non sono spiegate nelle attuali teorie sull’evoluzione del giovane universo.

“Molte presentazioni hanno dimostrato che esiste una tensione tra teoria e osservazione”, ha affermato. Fabio Pacucci dall’Università di Harvard, in un esempio di minimizzazione cosmologica. Per illustrare la confusione che provano gli astronomi riguardo a questo telescopio irripetibile che sta stravolgendo ciò che sappiamo del giovane universo, ha mostrato una diapositiva satirica: una vignetta di un cane seduto a un tavolo che beve caffè mentre la sua casa è in fiamme , intitolato “Questo è buono”.

Il più grande e il più luminoso

Gli astronomi continuano a sottolineare una delle galassie più significative viste finora, un granello di luce inaspettatamente luminoso chiamato JADES-GS-z14-0. Heinlein, dell’Università dell’Arizona, fa parte del team che lo ha scoperto in collaborazione con il telescopio spaziale James Webb Distanza confermata Nel maggio 2024. È la galassia più antica conosciuta, superando il precedente detentore del record, che lo era Trovato Con la stessa squadra nel 2023.

Nel momento in cui la galassia si illuminò, le onde sonore generate dal massiccio applauso che diede inizio all’universo risuonavano ancora nel vuoto. Le prime stelle nacquero durante un catastrofico baby boom, e alcune erano già morte. In agguato c’erano anche i nuclei oscuri dei buchi neri, regioni dello spazio dove la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire. E c’era questo ammasso di stelle, risolto come un misterioso scorpione nei filtri del telescopio spaziale James Webb. Due strumenti sul telescopio spaziale James Webb sono stati in grado di discernere la luminosità di JADES-GS-z14-0 e la sua distanza dalla Terra. A causa dell’espansione accelerata dell’universo, gli oggetti trovati a grandi distanze risalgono a tempi molto antichi. Gli astronomi possono calcolare la loro età in base alla loro luce che si estende a lunghezze d’onda maggiori, note come spostamento verso il rosso. Sulla base delle ultime misurazioni, è stato determinato che la galassia si trova ad uno spostamento verso il rosso di 14,18, il che significa che la vediamo come appariva 300 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo aveva circa il 2% della sua età attuale.

Inizialmente, gli astronomi ipotizzarono che oggetti così massicci e luminosi nell’universo primordiale non fossero coerenti con il modello teorico prevalente dell’universo. Ma le persone hanno annacquato questa affermazione. Il nostro miglior modello dell’universo – un insieme di equazioni che descrivono l’evoluzione della materia e della radiazione insieme all’energia oscura e alla materia oscura – non è ancora morto.

“C’era molta eccitazione” nei primi giorni di JWST, ha detto Alice Shapley Dall’Università della California, Los Angeles. “Non ce n’è bisogno. I dati sono così belli; studiamo semplicemente l’universo che abbiamo.”

Gli astrofisici sono uniti attorno a tre teorie basate sulle stelle su come le galassie crescono così rapidamente. Si potrebbe pensare che le stelle dell’alba cosmica fossero molto diverse dalle stelle di oggi. Ad esempio, le stelle in JADES-GS-z14-0 possono essere estremamente luminose ma in realtà non sono molto massicce. Anche se questo sembra ragionevole, è anche difficile da affrontare per i modellatori teorici. Il rapporto tra la luminosità di una stella e la sua massa è un valore fondamentale che viene introdotto nelle simulazioni al computer. Se questo valore – noto come funzione di massa iniziale, o FMI – fosse diverso nell’universo primordiale, i ricercatori dovrebbero riscrivere le loro simulazioni per essere in grado di accogliere il FMI che cambia nel tempo.

Ma la natura non si preoccupa dei problemi computazionali che dobbiamo affrontare, e un FMI variabile è in linea di principio uno dei modi più plausibili per comprendere ciò che vediamo. “Il FMI è davvero un castello di carte su cui costruiamo tutto. Ci sono molte ragioni per credere che sia molto diverso con un redshift molto elevato”, ha detto Casey.

Un’altra teoria è che le prime galassie ultraluminose fossero sottoposte a furiose esplosioni di formazione stellare. Nel corso di 10 o 100 milioni di anni, la luminosità di una galassia può cambiare di un fattore 100 man mano che la formazione stellare aumenta e diminuisce. È come una candela che in pochi secondi si trasforma in un riflettore. Allo stesso modo, durante questi periodi intensi, le esplosioni di supernova potrebbero aver fatto apparire le cose più luminose di quanto sarebbero altrimenti.

La terza teoria indica che il processo di formazione stellare era più efficiente a quel tempo di quanto non lo sia adesso. In una tipica galassia odierna, una piccola frazione del gas si trasforma in stelle; La Via Lattea produce da due a sei stelle delle dimensioni del Sole all’anno. Ma la piccolezza e la compattezza dell’universo primordiale potrebbero averlo reso una fabbrica di stelle migliore. Alcuni calcoli stimano che la conversione gas-stella sia quasi del 100%, il che significa una nascita stellare rapida e furiosa. Pratika Dayal Dall’Università di Groningen nei Paesi Bassi.

Tutte queste modifiche alla teoria attuale comportano effetti collaterali, come cambiamenti nella quantità di polvere che dovrebbe esserci e misteri su come si stabilizzano questi magnifici baby boom. E non sono nemmeno le uniche idee là fuori. Andrea FerraraUn cosmologo della Scuola Normale Superiore di Pisa, in Italia, ha mostrato ai suoi colleghi di Santa Barbara un nuovo modello che tenta di spiegare le galassie primordiali luminose modificando la quantità di polvere al loro interno, che normalmente blocca la luce delle stelle. Il suo modello presupponeva che il vento stellare sollevasse più polvere. “Ridurre l’attenuazione delle polveri è la mia ipotesi preferita, anche se sono completamente aperto alle altre due”, ha detto al pubblico. Ma ha riconosciuto che i suoi calcoli potrebbero non reggere con uno spostamento verso il rosso di 14, il che significa che potrebbero non funzionare per galassie come JADES-GS-z14-0.

“Quindi, per favore, non scoprire altre galassie”, ha concluso ridendo.

Grandi buchi neri

Le teorie sulle stelle non sono le uniche idee. Alcuni astrofisici indicano buchi neri supermassicci attivi, che secondo loro potrebbero riscaldare il gas circostante e far apparire estremamente luminose galassie come JADES-GS-z14-0.

In una serie di articoli pubblicati a maggio, il team JADES ha affermato che la galassia è piena di stelle e che la loro luminosità non può essere spiegata dai buchi neri. Ma altre galassie hanno cuori così oscuri. Sappiamo che buchi neri supermassicci del peso di centinaia di milioni o miliardi di Soli ancorano i centri delle giovani galassie. Il telescopio spaziale James Webb vede la luce diffusa proveniente da molte galassie primordiali. Indicando E il loro gas è sospeso anche da un buco nero supermassiccio centrale. Come sono arrivati ​​lì i grandi buchi neri?

Da quando i buchi neri furono previsti per la prima volta come risultato della teoria della gravità di Albert Einstein, gli astrofisici hanno immaginato come potrebbero formarsi dal collasso gravitazionale interno delle stelle morenti. Ora sanno che l’universo è pieno di buchi neri che si sono formati in questo modo. Ma i cosmologi hanno difficoltà a comprendere i buchi neri supermassicci. In qualche modo, questi buchi neri sono cresciuti abbastanza grandi e veloci da formare le galassie che si sono formate attorno a loro. Se fossero iniziate come stelle collassate, sarebbero cresciute a ritmi sorprendenti che sfidano ogni spiegazione fisica.