L’ammasso di galassie che illumina le epoche cosmiche oscure

Le osservazioni di un lontano gruppo di galassie suggeriscono che la formazione stellare iniziò lì solo 370 milioni di anni dopo il Big Bang. I risultati forniscono dettagli chiave su dove e quando le prime stelle e galassie sono emerse nell'Universo.

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Le osservazioni di un lontano gruppo di galassie suggeriscono che la formazione stellare iniziò  solo 370 milioni di anni dopo il Big Bang. I risultati forniscono dettagli chiave su dove e quando le prime stelle e galassie sono emerse nell’Universo.
Poco dopo il Big Bang, l’Universo era completamente buio. Le stelle e le galassie, che forniscono luce all’Universo, non si erano ancora formate e l’Universo consisteva in una zuppa primordiale di atomi di idrogeno ed elio neutri e “materia oscura” invisibile. Durante queste ere oscure cosmiche, che durarono per diverse centinaia di milioni di anni, emersero le prime stelle e galassie. Sfortunatamente, le osservazioni di questa epoca sono difficili perché le galassie dell’età oscura sono eccezionalmente deboli. Nello studio di Willis et al. si fa luce su ciò che è accaduto durante il periodo oscuro facendo un po’ di archeologia galattica. Misurando le età delle stelle in uno dei gruppi più distanti di galassie conosciute, gli autori hanno individuato galassie che formavano stelle nei periodi oscuri, più vicino possibile al momento in cui le stelle potevano emergere.
Un ammasso di galassie è un gruppo di migliaia di galassie che orbitano a vicenda a velocità di circa 1.000 chilometri al secondo. A loro è impedito di volare a pezzi dall’attrazione gravitazionale della materia oscura che l’accompagna, che ha la massa totale equivalente di circa cento miliardi di miliardi di soli. Gli astronomi usano questi cluster come laboratori per molti esperimenti di astrofisica, come misurare la composizione dell’Universo, testare le teorie della gravità e determinare come si formano le galassie. Willis et al. usò uno dei cluster più distanti noti per studiare quando le galassie più imponenti dell’Universo iniziarono a produrre stelle.
Sebbene i cluster vicini, come il cluster Coma, siano più facili da osservare rispetto a quelli più lontani, non possiamo misurare la loro età proprio perché le galassie sono estremamente vecchie. È difficile distinguere, ad esempio, una galassia che ha 7 miliardi di anni e una che ne ha 13. Pertanto, per ottenere una data precisa per quando i cluster hanno formato per la prima volta le loro stelle, Willis e colleghi hanno usato il telescopio spaziale Hubble della NASA per guardare uno dei cluster più distanti che potevano trovare.
Poiché la luce viaggia a una velocità finita, i cluster più distanti che possiamo vedere sono anche quelli nelle prime fasi dell’Universo. La luce del cluster esaminata da Willis et al. ha viaggiato per 10,4 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra, il che significa che stiamo guardando un ammasso come era appena 3,3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Di conseguenza, questo gruppo funge da buco della serratura attraverso il quale possiamo scrutare nell’universo primordiale (Fig. 1).

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Figura 1 | Cronologia dell’Universo. Dopo il Big Bang, l’Universo consisteva in una zuppa cosmica di radiazioni e materia. Circa 400.000 anni dopo, entrò in un’era conosciuta come l’epoca oscura (dark age) cosmica in cui era priva di luce. Le prime stelle e galassie iniziarono a emergere poche centinaia di milioni di anni dopo e gradualmente fornirono luce all’Universo. Willis et al. riportano che la formazione stellare in un lontano gruppo di galassie iniziò circa 370 milioni di anni dopo il Big Bang. La luce che vediamo da questo ammasso di galassie fu emessa quando l’Universo aveva circa 3,3 miliardi di anni. È probabile che il cluster sia diventato una delle più grandi strutture nell’universo attuale, comparabile in massa al cluster Coma.

Willis e colleghi hanno scoperto che il cluster contiene diverse galassie che hanno colori rossi simili. Il colore di una galassia può essere usato per stimare la sua età perché le stelle più giovani sono più blu delle loro controparti più vecchie e più rosse. Di conseguenza, le galassie che hanno colori rossi hanno formato le loro stelle molto tempo fa. Confrontando i colori dei cluster di galassie con quelli dei modelli, gli autori hanno stimato che le stelle di queste galassie iniziarono a emergere quando l’Universo aveva solo 370 milioni di anni. Questa è l’epoca in cui ci aspettiamo che le prime stelle si siano formate negli anni dell’oscurità cosmica.
Un punto particolarmente intrigante è che Willis et al. identificato almeno 19 galassie nel cluster che hanno colori simili, il che significa che le galassie hanno età simili. Nel momento in cui queste galassie formavano le loro stelle, sarebbero state ben distribuite, quindi è un dilemma il motivo per cui tutti hanno iniziato a produrre stelle approssimativamente nello stesso momento. Sono stati influenzati dal loro ambiente? In alternativa, la formazione stellare in una galassia in qualche modo ha innescato una reazione a catena, portando alla formazione stellare nelle nuvole di gas vicine? Al momento non abbiamo la risposta, ma ciò che è chiaro dal lavoro degli autori è che questi cluster distanti sono pieni delle galassie più antiche dell’Universo.
La mia opinione è che le stime di età di Willis et al.  sono le migliori possibili, visto i dati limitati che gli autori hanno dal telescopio Hubble. Tuttavia, determinare le età dai colori delle galassie è un metodo relativamente grezzo che è soggetto a grandi incertezze. Ad esempio, una giovane galassia che contiene molta polvere astronomica può avere lo stesso colore di una vecchia galassia contenente poca polvere. Pertanto, sebbene i risultati degli autori siano allettanti, dovrebbero essere trattati con cautela fino a quando non verrà lanciato James Webb Space Telescope (JWST) della NASA nei prossimi anni.
Il JWST misurerà gli spettri della luce emessa da queste galassie. Un confronto degli spettri con i modelli sarà un modo molto più preciso per determinare l’età delle stelle rispetto all’utilizzo dei colori delle galassie. Inoltre, poiché è più facile misurare le età delle galassie precedenti rispetto a quelle più recenti, ha senso indirizzare le galassie nei progenitori di questi ammassi di galassie nell’Universo primordiale. I risultati di Willis et al. dimostrano che questi gruppi distanti sono tra i primi obiettivi che il JWST dovrebbe osservare.
Nature 577, 36-37 (2020)
doi: 10.1038/d41586-019-03893-7
[Spectroscopic confirmation of a mature galaxy cluster at a redshift of 2 – J. P. Willis et al. 2019] Nature volume 577, pages39–41(2020)

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