Dopo il big bang l’universo fu avvolto da una fitta “nebbia” formata da idrogeno ed elio: la luce prodotta dalle prime stelle poteva percorrere brevi distanze prima di essere assorbita e quindi oscurata. Questo periodo è chiamato dagli astronomi “i secoli bui dell’universo”.
Uno dei più grandi misteri cosmologici collocato in questo lasso di tempo interessa lo sviluppo della “reionizzazione cosmica“. Per scoprirlo, gli astronomi hanno guardato più a fondo nel cosmo (e più indietro nel tempo) per individuare le prime galassie visibili.
Grazie alle nuove ricerche condotte da un team di astronomi dell’University College di Londra (UCL), è stata osservata una galassia luminosa che stava reionizzando il mezzo intergalattico 13 miliardi di anni fa. Lo studio è stato presentato il 2 luglio durante l’incontro annuale della European Astronomical Society (EAS).
Durante la presentazione, Romain Meyer, uno studente di dottorato presso l’UCL e autore principale della ricerca, e i suoi colleghi hanno condiviso i loro risultati, che sono la prima prova concreta di come la reionizzazione è stata completata 13 miliardi di anni fa.
Secondo il nostro attuale modello cosmologico, le prime galassie erano formate da ammassi stellari coalescenti, che a loro volta si formarono quando le prime stelle dell’universo si raggrupparono a formare le prime galassie. Nel tempo, queste galassie hanno fatto esplodere la radiazione che ha liberato elettroni nel gas neutro del mezzo intergalattico (IGM) avviando il processo di ionizzazione: “Guardando galassie lontane, guardiamo nell’universo primordiale, poiché la luce ha viaggiato per miliardi di anni prima di raggiungerci. È fantastico come possiamo vedere come erano le galassie miliardi di anni fa, ma questo presenta diversi svantaggi “, ha spiegato il dottor Meyer in una dichiarazione a Universe Today.
Gli oggetti distanti sono molto deboli e possono essere osservati solo utilizzando i più potenti telescopi terrestri e spaziali. A questa distanza, c’è anche il delicato problema del redshift, in cui l’espansione del cosmo fa sì che la luce delle galassie distanti ci appaia spostata verso l’estremità rossa dello spettro.
Nel caso di galassie vecchie di diversi miliardi di anni (e altrettanto lontane), la lunghezza d’onda della luce si è stata spostata al punto da essere visibile solo nell’infrarosso (in particolare la luce UV che Meyer e i suoi colleghi stavano cercando). Per dare un’occhiata a A370p_z1, una galassia luminosa posta a 13 miliardi di anni luce di distanza, il team ha utilizzato i dati del programma Hubble Frontier Fields che gli astronomi stanno ancora analizzando.
I dati di Hubble suggeriscono che questa galassia sia molto spostata verso il rosso, indicando che è particolarmente antica. I ricercatori hanno quindi fatto osservazioni di follow-up con il Very Large Telescope (VLT) per avere una migliore percezione dello spettro di questa galassia, in particolare, in cui hanno cercato la linea luminosa emessa dall’idrogeno ionizzato, nota come linea Lyman-alfa: “La grande sorpresa è stata quella di scoprire che questa linea, rilevata a 9480 Angstrom, è una doppia linea. Questo è estremamente raro da trovare nelle prime galassie, e questa è solo la quarta galassia che scopriamo avere una doppia linea Lyman-alpha nei primi miliardi di anni. La cosa bella con le doppie linee Lyman-alpha è che puoi usarle per dedurre un valore molto importante di galassie primitive: quale frazione di fotoni energetici fuoriescono nel mezzo intergalattico”.
Un’altra grande sorpresa è stata il fatto che l’A370p_z1 sembrava lasciare entrare dal 60 al 100 percento dei suoi fotoni ionizzati nello spazio intergalattico ed è probabilmente responsabile della ionizzazione della bolla IGM attorno ad esso. Le galassie più vicine alla Via Lattea hanno in genere frazioni di fuga di circa il 5 percento (il 50 percento in alcuni rari casi), ma le osservazioni dell’IGM indicano che le prime galassie devono aver avuto una frazione di fuga dal 10 al 20 percento in media.
Questa scoperta è estremamente importante perché potrebbe aiutare a risolvere un dibattito in corso nei circoli dei cosmologi. Fino ad ora, le domande su quando e come si è verificata la reionizzazione hanno prodotto due possibili scenari:
- Nel primo, una popolazione di numerose galassie deboli che perdeva circa il 10 percento dei loro fotoni energetici;
- nell’altra ipotesi, si parla di una “oligarchia” di galassie luminose con una percentuale molto maggiore (50 percento o più) di fotoni in fuga.
In entrambi i casi, le prove hanno finora suggerito che le prime galassie erano molto diverse da quelle odierne.
“Scoprire una galassia con una fuga di quasi il 100% è stato davvero bello perché conferma ciò che gli astrofisici sospettavano: le prime galassie erano molto diverse da quelle odierne e liberavano fotoni energetici in modo molto più efficiente“, ha affermato Meyer. Studiare le galassie dell’era della reionizzazione per le linee Lyman-alfa è sempre difficile a causa del modo in cui sono circondate da gas neutro che assorbe quella caratteristica emissione di idrogeno.
Tuttavia, ora abbiamo prove evidenti che la reionizzazione è stata completata 800 milioni di anni dopo il Big Bang, e che è probabile che ad esserne responsabili siano state alcune galassie luminose. Se ciò che Meyer e i suoi colleghi hanno osservato è tipico delle galassie dell’era della reionizzazione, allora possiamo presumere che la reionizzazione sia stata causata da un piccolo gruppo di galassie che ha creato attorno a loro grandi bolle di gas ionizzato che sono cresciute e si sono sovrapposte.
Come spiegato dallo studioso, questa scoperta potrebbe indicare la strada verso la creazione di un nuovo modello cosmologico che predice accuratamente come e quando avvennero i principali cambiamenti nell’universo primordiale: “Questa scoperta conferma che le prime galassie potrebbero essere state estremamente efficienti nel far fuoriuscire i fotoni ionizzanti, che è un’importante ipotesi nella nostra comprensione della “reionizzazione cosmica”, l’epoca in cui il mezzo intergalattico, 13 miliardi di anni fa, passava da neutro a ionizzato (ad esempio gli elettroni erano strappati via da atomi di idrogeno dai fotoni energetici)”.
Secondo Meyer, è necessario trovare più oggetti come A370p_z1 in modo che gli astronomi possano stabilire le frazioni di fuga medie delle prime galassie. Nel frattempo, il prossimo passo sarà determinare perché queste prime galassie fossero così efficienti nel liberare fotoni energetici.
Molto dipenderà dai telescopi di prossima generazione che arriveranno molto presto nello spazio. Il più notevole di questi è il James Webb Space Telescope (JWST), che (dopo diversi ritardi) è ancora programmato per il lancio entro il 2021: “Con il James Webb Space Telescope, seguiremo questo obiettivo più in profondità nell’infrarosso per ottenere l’accesso a ciò che è stato emesso originariamente nella luce ottica. Questo ci fornirà maggiori informazioni sui meccanismi fisici in gioco nelle prime galassie. La missione di JWST è limitata nel tempo, ed è per questo che scoprire questi oggetti estremi ora è così importante: capire quali oggetti sono peculiari o estremi dei primi miliardi di anni del nostro universo, per sapere cosa guardare quando verrà finalmente lanciato JWST! “.
