L’alba cosmica avvenne da 250 a 350 milioni di anni dopo l’inizio dell’universo – video

L’alba cosmica, cioè il momento in cui, per la prima volta, hanno cominciato a formarsi le stelle, è avvenuta da 250 a 350 milioni di anni dopo l’inizio dell’universo, secondo un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’University College London (UCL) e dell’Università di Cambridge.

Lo studio, pubblicato su Monthly Notice of the Royal Astronomical Societ y, suggerisce che il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, il cui lancio è previsto per novembre, sarà abbastanza sensibile da osservare direttamente la nascita delle galassie.

Il team di ricerca ha esaminato sei delle galassie più lontane attualmente conosciute, la cui luce ha impiegato gran parte della vita dell’universo per raggiungerci. Hanno scoperto che la distanza di queste galassie dalla Terra corrisponde a un tempo di oltre 13 miliardi di anni fa, quando l’universo aveva solo 550 milioni di anni.

Analizzando le immagini dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer, i ricercatori hanno calcolato che l’età di queste galassie, al momento in cui hanno emesso la luce che sta arrivando oggi ai nostri occhi, va da 200 a 300 milioni di anni, consentendo una stima di quando si sono formate per la prima volta le loro stelle.

Ammasso di galassie MACS0416-JD

Immagine a colori dell’ammasso di galassie utilizzata per rilevare una delle sei galassie, MACS0416-JD, esaminata in uno studio condotto da ricercatori dell’University College di Londra e dell’Università di Cambridge. Questa galassia ha un’età stimata di 351 milioni di anni, il che significa che si è formata 178 milioni di anni dopo il Big Bang. La massa stellare di questa galassia è un miliardo di volte la massa del Sole. Questo oggetto è attualmente la galassia più lontana rilevata con ALMA. Credito: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields

Quando avvenne l’alba cosmica nella luce delle galassie più antiche e lontane

L’autore principale, il dott. Nicolas Laporte (Università di Cambridge), che ha avviato il progetto mentre era all’UCL, ha dichiarato: “I teorici ipotizzano che l’universo sia stato un luogo oscuro per le prime centinaia di milioni di anni, prima che si formassero le prime stelle e galassie”.

Testimoniare il momento in cui l’universo è stato illuminato per la prima volta dalla luce delle stelle è una grande ricerca in astronomia“.

Le nostre osservazioni indicano che l’alba cosmica si è verificata tra 250 e 350 milioni di anni dopo l’inizio dell’universo e, al momento della loro formazione, galassie come quelle che abbiamo studiato sarebbero state sufficientemente luminose per essere viste dallo spazio con il James Webb Telescope“.

I ricercatori hanno analizzato la luce delle stelle dalle galassie registrata dai telescopi spaziali Hubble e Spitzer, esaminando un marcatore nella loro distribuzione energetica indicativo della presenza di idrogeno atomico* nelle loro atmosfere stellari. Questo fornisce una stima dell’età delle stelle che contengono.


Il video mostra la formazione e l’evoluzione delle prime stelle e galassie in un universo virtuale simile al nostro. La simulazione inizia poco prima dell’alba cosmica, quando l’universo è privo di luce stellare, e arriva all’epoca di 550 milioni di anni dopo il Big Bang, quando vengono osservate le sei galassie analizzate dal Dr. Laporte e colleghi. L’età dell’universo in milioni di anni è mostrata in alto a sinistra. L’inserto si concentra sull’evoluzione di una galassia simile a quelle del recente studio osservazionale. Le regioni viola mostrano la distribuzione filamentosa del gas, composta principalmente da idrogeno. Le regioni bianche rappresentano la luce delle stelle e le regioni gialle rappresentano la radiazione energetica delle stelle più massicce che è in grado di ionizzare il gas idrogeno circostante. Mentre le stelle massicce raggiungono rapidamente la fine della loro vita, eruttano in violente esplosioni di supernova che espellono il gas circostante permettendo la fuoriuscita di questa radiazione energetica. Galassie come quella mostrata accumulano continuamente materiale da sistemi più piccoli vicini e si assemblano rapidamente per formare le galassie più sostanziali osservate dal telescopio spaziale Hubble in tempi successivi. Credito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Dipartimento di Fisica, Università di Oxford

Questa firma dell’idrogeno aumenta di forza con l’invecchiamento della popolazione stellare, ma diminuisce quando la galassia è più vecchia di un miliardo di anni. La dipendenza dall’età sorge perché le stelle più massicce che contribuiscono a questo segnale bruciano il loro combustibile nucleare più rapidamente e quindi muoiono per prime.

Il coautore Dr. Romain Meyer (UCL Physics & Astronomy e il Max Planck Institute for Astronomy a Heidelberg, Germania) ha dichiarato: “Questo indicatore di età viene utilizzato per datare le stelle nel nostro quartiere della Via Lattea, ma può anche essere usato per datare galassie estremamente remote, viste in un periodo molto antico dell’universo”.

Utilizzando questo indicatore possiamo dedurre che le galassie osservate hanno tra i 200 e i 300 milioni di anni”.

Nell’analizzare i dati di Hubble e Spitzer, i ricercatori avevano bisogno di stimare lo “spostamento verso il rosso” di ciascuna galassia che indica la loro distanza cosmologica e quindi il tempo di ritorno in cui vengono osservate.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno effettuato misurazioni spettroscopiche utilizzando l’intero arsenale di potenti telescopi terrestri: il cileno Atacama Large Millimeter Array (ALMA), l’European Very Large Telescope, i due telescopi Keck alle Hawaii e il telescopio Gemini-South.

Queste misurazioni hanno permesso al team di confermare che guardare queste galassie corrispondeva a guardare indietro a un’epoca in cui l’universo aveva 550 milioni di anni.

Il co-autore, il professor Richard Ellis (UCL Physics & Astronomy), che ha tracciato galassie sempre più lontane nel corso della sua carriera, ha dichiarato: “Nell’ultimo decennio, gli astronomi hanno spostato indietro le frontiere di ciò che possiamo osservare a un’epoca in cui l’universo era solo il 4% della sua età attuale. Tuttavia, a causa della limitata trasparenza dell’atmosfera terrestre e delle capacità dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer, ora abbiamo raggiunto il nostro limite”.

Ora attendiamo con impazienza il lancio del James Webb Space Telescope, che riteniamo abbia la capacità di assistere direttamente all’alba cosmica”.

La ricerca per vedere questo momento importante nella storia dell’universo è stata per decenni un Santo Graal in astronomia. Dato che siamo fatti di materia lavorata nelle stelle, questa è in un certo senso la ricerca delle nostre stesse origini”.**

Il nuovo studio ha coinvolto astronomi dell’Università della California-Santa Cruz, dell’Università della California e dell’Università del Texas.

I ricercatori hanno ricevuto il sostegno della Fondazione Kavli, del Consiglio europeo della ricerca, della National Aeronautics and Space Administration (NASA) e della National Science Foundation (NSF) negli Stati Uniti.

Il lancio nello spazio del telescopio spaziale James Webb, il successore di Hubble, è previsto per novembre. Sarà il principale osservatorio nel prossimo decennio, al servizio di migliaia di astronomi in tutto il mondo. È costituito da un osservatorio a infrarossi, un immenso specchio largo 6,5 metri e un parasole a forma di diamante. Gli scienziati dell’UCL del Mullard Space Science Laboratory hanno costruito e testato componenti hardware chiave per il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), uno dei quattro strumenti del telescopio.

* L’idrogeno atomico è idrogeno che non è stato suddiviso in protoni ed elettroni.

**Tutti gli elementi più pesanti nell’universo – tutto tranne l’idrogeno, l’elio e il litio – sono sintetizzati nelle stelle e poi seminati nell’universo quando le stelle esplodono alla fine della loro vita. Questo include gli elementi che compongono gli esseri umani: il calcio nelle nostre ossa, il ferro nel nostro sangue.

Riferimento: “Probing cosmic dawn: Ages and star training histories of candidate z = 9 galaxies” di N Laporte, RA Meyer, RS Ellis, BE Robertson, J Chisholm e GW Roberts-Borsani, 24 giugno 2021, Monthly Notice of the Royal Astronomical Società .
DOI: 10.1093/mnras/stab1239

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