Il James Webb e la prima luce dell’universo

Il telescopio spaziale Webb guarderà cosi in profondità che riuscirà a osservare la formazione e l'evoluzione delle prime galassie nel periodo di formazione stellare più intensa dell'universo

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L’universo primordiale era un luogo buio e pieno di un gas neutro e opaco. Ancora oggi non sappiamo come quel gas è diventato trasparente. Forse il cambiamento è dovuto alla prima generazione di stelle massicce, luminose e calde nate subito dopo il Big Bang. Il potente James Webb Space Telescope della NASA ben presto potrebbe svelare il mistero.

Il telescopio spaziale James Webb guarderà cosi in profondità che riuscirà a osservare la formazione e l’evoluzione delle prime galassie nel periodo di formazione stellare più intensa dell’universo. Il James Webb potrò dirci in quanto tempo si formano le galassie e in quanto tempo e dove si formano le stelle al loro interno. Scrutando i densi nuclei galattici il telescopio potrà osservare come nascono i buchi neri supermassicci.

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La prima luce delle stelle si è accesa all’interno delle galassie quando il nostro universo aveva appena il 5% dell’età attuale. Il JWST permetterà agli astronomi di guardare a quell’epoca lontana e tumultuosa.

Il nuovo telescopio avvierà un sondaggio del cielo senza precedenti, chiamato JADES o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, 800 ore di osservazione che lo vedranno impegnato a studiare la radiazione infrarossa invisibile all’occhio umano.

Daniel Eisenstein, professore di astronomia all’Università di Harvard spiega che le galassie si sono formate probabilmente entro il primo miliardo dal Big Bang. Per farlo, ha spiegato Eisenstein, occorre un telescopio in grado di raccogliere le radiazioni infrarosse perché l’espansione dell’universo ha dilatato anche la lunghezza d’onda della luce emessa dalle prime stelle e solo una macchina come il James Webb può farlo.

Il sondaggio JADES utilizzerà due strumenti: il Near Infrared Camera (NIRCam) e il Near Infrared Spectrograph (NIRSpec). Il programma combina l’imaging di NIRCam e le capacità spettroscopiche di NIRSpec con il Mid-Infrared Instrument (MIRI) del telescopio Webb, che utilizza sia una fotocamera che uno spettrografo. Attraverso l’uso di osservazioni parallele coordinate, il team JADES otterrà il meglio da tutti e tre gli strumenti.

Gli scienziati combineranno quindi i risultati del James Webb con i dati più profondi del telescopio spaziale Hubble della NASA, dell’osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dei radiotelescopi Atacama Large Millimeter / submillimeter Array e Jansky Very Large Array della NASA per produrre una vista senza precedenti delle prime galassie dell’universo. 

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Studiando le galassie attraverso tutte queste lunghezze d’onda, gli scienziati analizzeranno la luce delle stelle delle galassie, la polvere e il mezzo interstellare, e i buchi neri supermassicci che si pensa risiedano all’interno di queste galassie.

Il team ha scelto per le osservazioni due campi ben studiati dal Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). GOODS ha unito osservazioni da Spitzer, Hubble e Chandra, dai telescopi spaziali Herschel e XMM-Newton dell’ESA e dalle più potenti strutture terrestri in grado di rilevare la luce più debole allora rilevabile nel lontano universo. 

L’indagine ha riguardato due grandi campi, MERCI-Nord e MERCI-Sud, che si trovano rispettivamente nella costellazione settentrionale dell’Orsa Maggiore e nella costellazione meridionale della Fornax. GOODS-South contiene anche l’Hubble Ultra Deep Field, che è ancora oggi l’immagine più profonda e sensibile del cielo mai scattata dal telescopio Hubble. Ora, guardando le stesse aree, Webb andrà ancora più in profondità.

“Abbiamo scelto questi campi perché hanno una così grande ricchezza di informazioni di supporto. Sono stati studiati a molte altre lunghezze d’onda, quindi erano quelli logici da fare”, ha detto Marcia Rieke, che co-guida il team JADES con Pierre Ferruit dell’Agenzia spaziale europea (ESA). Rieke è anche il principale ricercatore dello strumento NIRCam di Webb e professore di astronomia all’Università dell’Arizona.

Il team sta osservando i due campi ampiamente separati per studiare le differenze tra il numero di galassie a distanze diverse in un campo, rispetto all’altro.

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Il sondaggio esaminerà la rapidità con cui le galassie si formano, e quanto velocemente e dove si formano le loro stelle sono ancora questioni aperte. Diversi obiettivi del programma JADES includono la comprensione della distribuzione della massa stellare nelle galassie neonate, e la luminosità stellare, i tassi di formazione stellare e l’età, le dimensioni e la composizione delle stelle. JADES analizzerà anche l’attività nucleare delle galassie, determinerà la struttura delle galassie e mapperà il movimento dei gas su un’ampia gamma di distanze.

Un altro obiettivo del programma è studiare le proprietà dei primi buchi neri. Gli scienziati hanno misurato una stretta relazione tra la massa del buco nero centrale di una galassia e la massa del rigonfiamento di quella galassia, ma il modo in cui ciò avvenga è attualmente solo oggetto di modelli e speculazioni. Il team JADES spera di chiarire la natura di questa relazione.

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Gli scienziati sanno che questi buchi neri supermassicci erano già presenti con miliardi di masse solari meno di 1 miliardo di anni dopo il big bang, che è meno del 10% dell’età attuale dell’universo. Ma è molto difficile capire come questi enormi buchi neri si siano formati così presto nell’universo.

“Speriamo di rilevare i semi primordiali di questi buchi neri mostruosi, i buchi neri più piccoli che si sono formati subito dopo il big bang, e di capire quali erano le loro masse, come stavano accumulando massa e dove si trovavano”, ha spiegato il compagno di squadra di JADES Roberto Maiolino, membro del NIRSpec Instrument Science Team dell’ESA e professore di astrofisica sperimentale presso l’Università di Cambridge nel Regno Unito. 

“Per molto tempo Webb sarà l’unica struttura in grado di rilevare e comprendere i processi che in seguito hanno portato a questi mostri che erano già stati creati nell’universo primordiale”.

Un altro mistero riguarda il gas tra le galassie, che gli astronomi sanno oggi è altamente ionizzato e trasparente. Ma nel primo milione di anni non è stato ionizzato: era un gas neutro opaco. Il modo in cui è avvenuta la transizione dal gas neutro a quello ionizzato, da opaco a trasparente, è qualcosa che gli scienziati stanno cercando di capire da molto tempo.

“Questa transizione è un cambiamento di fase fondamentale nella natura dell’universo”, ha detto il compagno di squadra di JADES Andrew Bunker, un altro membro dell’ESA NIRSpec Instrument Science Team e professore di astrofisica presso l’ Università di Oxford nel Regno Unito. “Vogliamo capire cosa l’ha causato. Potrebbe essere la luce delle primissime galassie e la prima esplosione di formazione stellare “.

Il team JADES spera di scoprire questa prima popolazione di stelle estremamente massicce, luminose e calde che si sono formate dopo il big bang. “È una specie di Santo Graal, trovare le cosiddette stelle di Popolazione III che si sono formate dall’idrogeno e dall’elio del big bang”, ha spiegato Bunker. “Abbiamo cercato di farlo per molti decenni e finora i risultati sono stati inconcludenti”.

Gli obiettivi estremamente distanti del team JADES sembrano molto piccoli e deboli e la loro luce è spesso completamente spostata oltre le lunghezze d’onda ottiche. Per queste ragioni, questi oggetti possono essere osservati solo con la capacità infrarossa superlativa di un grande telescopio freddo. Webb è stato creato appositamente per questo scopo; questo è stato uno dei principali casi scientifici alla base del suo design.

A causa delle enormi dimensioni di Webb, avrà una risoluzione spaziale nell’infrarosso simile a quella che gli astronomi hanno apprezzato con Hubble. Webb darà loro una visione molto più chiara a lunghezze d’onda maggiori di quanto abbiano mai avuto prima.

La capacità di Webb di ottenere spettri simultanei di più oggetti a lunghezze d’onda dell’infrarosso è un altro aspetto critico del programma JADES. NIRSpec sarà in grado di colpire più di 100 galassie contemporaneamente, prendendo uno spettro di ciascuna.

L’area di raccolta molto più ampia di Webb, la sua capacità di osservare galassie più deboli e la sua capacità di studiare simultaneamente più oggetti in un modo che gli scienziati non erano stati in grado di fare prima di rendere possibili per la prima volta sondaggi ambiziosi e ampi come JADES.

“Tendiamo a parlare di progetti come questo nel contesto delle teorie e dei modelli che abbiamo in questo momento”, ha detto Rieke. “Ma spero che con Webb troveremo qualcosa che non sospettavamo affatto, che ci sarà qualche nuova sorpresa, e che sarà molto divertente!”