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Le prime spettacolari immagini di Webb: cosa sono e cosa significano

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Il campo profondo di Webb

Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha fornito l’immagine a infrarossi più profonda e nitida dell’universo lontano. Il primo campo profondo di Webb è l’ammasso di galassie SMACS 0723 e pullula di migliaia di galassie, inclusi gli oggetti più deboli mai osservati nell’infrarosso.

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L’immagine di Webb rappresenta quanto può vedere il James Webb in uno scorcio di cielo delle dimensioni di un granello di sabbia tenuto a distanza di un braccio, un minuscolo frammento del vasto universo. La massa combinata di questo ammasso di galassie agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo le galassie più lontane, comprese alcune vecchie oltre 13 miliardi di anni, apparse quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni.

Questo campo profondo, ripreso dalla NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb, è un composito di immagini riprese a diverse lunghezze d’onda, per un tempo totale di esposizione di 12,5 ore, raggiungendo profondità a lunghezze d’onda infrarosse ben oltre i campi più profondi del telescopio spaziale Hubble, che hanno richiesto settimane di esposizione. E questo è solo l’inizio. I ricercatori continueranno a utilizzare Webb per fare esposizioni più lunghe, rivelando più del nostro vasto universo.

Questa immagine mostra l’ammasso di galassie SMACS 0723 come appariva 4,6 miliardi di anni fa, con molte più galassie davanti e dietro l’ammasso. Molto di più su questo cluster verrà rivelato quando i ricercatori inizieranno a scavare nei dati di Webb. Questo campo è stato ripreso anche dal Mid-Infrared Instrument (MIRI) di Webb, che osserva la luce nel medio infrarosso.

La NIRCam di Webb ha messo a fuoco le galassie lontane: hanno strutture minuscole e deboli che non sono mai state viste prima, inclusi ammassi stellari e caratteristiche diffuse.

La luce di queste galassie ha impiegato miliardi di anni per raggiungerci. Stiamo guardando indietro nel tempo entro un miliardo di anni dopo il big bang quando osserviamo le galassie più giovani in questo campo profondo. La luce è stata allungata dall’espansione dell’universo alle lunghezze d’onda dell’infrarosso che Webb è stato progettato per osservare. I ricercatori inizieranno presto a saperne di più sulle masse, le età, le storie e le composizioni delle galassie.

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Altre caratteristiche includono gli archi prominenti in questo campo. Il potente campo gravitazionale di un ammasso di galassie può piegare i raggi di luce provenienti da galassie più lontane dietro di esso, proprio come una lente d’ingrandimento piega e deforma le immagini. Le stelle vengono anche catturate con picchi di diffrazione prominenti, poiché appaiono più luminose a lunghezze d’onda più corte.

L’ immagine MIRI di Webb offre un caleidoscopio di colori e mette in evidenza dove si trova la polvere, un ingrediente importante per la formazione stellare e, in definitiva, per la vita stessa. Le galassie blu contengono stelle, ma pochissima polvere. Gli oggetti rossi in questo campo sono avvolti da spessi strati di polvere. Le galassie verdi sono popolate da idrocarburi e altri composti chimici. I ricercatori saranno in grado di utilizzare dati come questi per capire come le galassie si formano, crescono e si fondono tra loro e, in alcuni casi, perché smettono del tutto di formare stelle.

Oltre a scattare immagini, due degli strumenti di Webb hanno anche ottenuto spettri, dati che rivelano le proprietà fisiche e chimiche degli oggetti che aiuteranno i ricercatori a identificare molti più dettagli sulle galassie lontane in questo campo. L’array di microshutter NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) di Webb ha osservato 48 singole galassie contemporaneamente – una nuova tecnologia utilizzata per la prima volta nello spazio – restituendo una suite completa di dettagli su ciascuna. I dati hanno rivelato la luce di una galassia che ha viaggiato per 13,1 miliardi di anni prima che gli specchi di Webb la catturassero. I dati NIRSpec dimostrano anche quanto saranno dettagliati gli spettri delle galassie con le osservazioni di Webb.

Infine, il Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) di Webb ha utilizzato la spettroscopia a fessura ad ampio campo per acquisire gli spettri di tutti gli oggetti nell’intero campo visivo contemporaneamente. Tra i risultati, dimostra che una delle galassie ha un’immagine speculare.

SMACS 0723 può essere visto vicino alla costellazione di Volans nel cielo meridionale.

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Scogliere cosmiche

Questo paesaggio di “montagne” e “valli” punteggiato di stelle scintillanti è in realtà il confine di una vicina, giovane regione di formazione stellare chiamata NGC 3324 nella Nebulosa Carina. Catturata alla luce infrarossa dal nuovo telescopio spaziale James Webb della NASA, questa immagine rivela per la prima volta aree precedentemente invisibili di nascita delle stelle.

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Chiamata le scogliere cosmiche, l’immagine apparentemente tridimensionale di Webb sembra rappresentare montagne scoscese in una sera illuminata dalla Luna. In realtà, è il bordo della gigantesca cavità gassosa all’interno di NGC 3324 e i “picchi” più alti in questa immagine sono alti circa 7 anni luce. L’area cavernosa è stata scavata dalla nebulosa dall’intensa radiazione ultravioletta e dai venti stellari di giovani stelle estremamente massicce, calde, situate al centro della bolla, sopra l’area mostrata in questa immagine.

La violenta radiazione ultravioletta delle giovani stelle sta scolpendo la parete della nebulosa erodendola lentamente. Pilastri drammatici torreggiano sopra il muro di gas incandescente, resistendo a questa radiazione. Il “vapore” che sembra salire dalle “montagne” celesti è in realtà gas caldo, ionizzato e polvere calda che scorre via dalla nebulosa a causa della radiazione incessante.

Webb rivela vivai stellari emergenti e singole stelle che sono completamente nascoste nelle immagini in luce visibile. A causa della sensibilità di Webb alla luce infrarossa, può scrutare attraverso la polvere cosmica per vedere questi oggetti. I getti protostellari, che emergono chiaramente in questa immagine, sparano da alcune di queste giovani stelle. Le sorgenti più giovani appaiono come punti rossi nella regione scura e polverosa della nuvola. Gli oggetti nelle prime fasi rapide della formazione stellare sono difficili da catturare, ma l’estrema sensibilità, risoluzione spaziale e capacità di imaging di Webb possono raccontare questi eventi sfuggenti.

Queste osservazioni di NGC 3324 faranno luce sul processo di formazione stellare. La nascita delle stelle si propaga nel tempo, innescata dall’espansione della cavità di erosione. Quando il bordo luminoso e ionizzato si sposta nella nebulosa, si spinge lentamente nel gas e nella polvere. Se il bordo incontra materiale instabile, l’aumento della pressione farà crollare il materiale e formerà nuove stelle.

Al contrario, questo tipo di disturbo può anche impedire la formazione di stelle poiché il materiale che forma le stelle viene eroso. Questo è un equilibrio molto delicato tra l’accensione della formazione stellare e il suo arresto. Webb affronterà alcune delle grandi domande aperte dell’astrofisica moderna: cosa determina il numero di stelle che si formano in una determinata regione? Perché le stelle si formano con una certa massa?

Webb rivelerà anche l’impatto della formazione stellare sull’evoluzione di gigantesche nubi di gas e polvere. Mentre l’effetto delle stelle massicce – con i loro venti violenti e l’elevata energia – è spesso evidente, si sa meno dell’influenza delle stelle di piccola massa più numerose. Mentre si formano, queste stelle più piccole creano i getti stretti e opposti qui visibili, che possono iniettare molto slancio ed energia nelle nuvole. Questo riduce la frazione di materiale nebulare che semina nuove stelle.

Fino a questo punto, gli scienziati hanno avuto pochissimi dati sull’influenza della moltitudine di stelle di piccola massa giovani e più energetiche. Con Webb, potranno ottenere un censimento completo del loro numero e dell’impatto in tutta la nebulosa.

Situata a circa 7.600 anni luce da noi, NGC 3324 è stato ripreso dalla telecamera nel vicino infrarosso (NIRCam) e dallo strumento nel medio infrarosso (MIRI) di Webb.

NIRCam, con la sua risoluzione nitida e la sua sensibilità senza precedenti, svela centinaia di stelle precedentemente nascoste e persino numerose galassie di sfondo.

Dal punto di vista di MIRI, le giovani stelle e i loro dischi polverosi che formano pianeti brillano nell’infrarosso medio, apparendo rosa e rosso. MIRI rivela strutture che sono incorporate nella polvere e scopre le sorgenti stellari di enormi getti e deflussi. Con MIRI, la polvere calda, gli idrocarburi e altri composti chimici sulla superficie delle creste si illuminano, dando l’aspetto di rocce frastagliate.

NGC 3324 fu catalogato per la prima volta da James Dunlop nel 1826. Visibile dall’emisfero australe, si trova all’angolo nord-ovest della Nebulosa Carina (NGC 3372), che risiede nella costellazione della Carina. La Nebulosa Carina ospita la Nebulosa Buco della Serratura e la stella supergigante attiva e instabile chiamata Eta Carinae.

Luce sull’evoluzione delle galassie e i buchi neri

Stephan’s Quintet, un raggruppamento visivo di cinque galassie, è noto soprattutto per essere stato protagonista del film, “It’s a Wonderful Life”. Oggi, il telescopio spaziale James Webb della NASA rivela il Quintetto di Stephan sotto una nuova luce. Questo enorme mosaico è l’immagine più grande di Webb fino ad oggi, coprendo circa un quinto del diametro della Luna. Contiene oltre 150 milioni di pixel ed è composto da quasi 1.000 file immagine separati. Le informazioni di Webb forniscono nuove informazioni su come le interazioni galattiche potrebbero aver guidato l’evoluzione delle galassie nell’universo primordiale.

Con la sua potente visione a infrarossi e una risoluzione spaziale estremamente elevata, Webb mostra dettagli mai visti prima in questo gruppo di galassie. Ammassi scintillanti di milioni di giovani stelle e regioni di nuove nascite di stelle abbelliscono l’immagine. Le ampie code di gas, polvere e stelle vengono estratte da molte delle galassie a causa delle interazioni gravitazionali. Più drammaticamente, Webb cattura enormi onde d’urto mentre una delle galassie, NGC 7318B, si schianta attraverso l’ammasso.

Insieme, le cinque galassie del Quintetto di Stephan sono anche conosciute come Hickson Compact Group 92 (HCG 92). Sebbene sia chiamato un “quintetto”, solo quattro delle galassie sono veramente vicine tra loro e coinvolte in una danza cosmica. La quinta, posta più a sinistra, chiamata NGC 7320, è ben in primo piano rispetto alle altre quattro. NGC 7320 risiede a 40 milioni di anni luce dalla Terra, mentre le altre quattro galassie (NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B e NGC 7319) distano circa 290 milioni di anni luce. Questo è ancora abbastanza vicino in termini cosmici, rispetto a galassie più distanti miliardi di anni luce di distanza. Lo studio di tali galassie relativamente vicine come queste aiuta gli scienziati a comprendere meglio le strutture viste in un universo molto più distante.

Questa vicinanza fornisce agli astronomi un posto in prima fila per assistere alla fusione e alle interazioni tra le galassie che sono così cruciali per tutta l’evoluzione delle galassie. Raramente gli scienziati vedono in così tanto dettaglio come le galassie interagenti innescano la formazione di stelle l’una nell’altra e come il gas in queste galassie viene disturbato. Il Quintetto di Stephan è un fantastico “laboratorio” per studiare questi processi fondamentali per tutte le galassie.

Gruppi stretti come questo potrebbero essere stati più comuni nell’universo primordiale quando il loro materiale surriscaldato e in caduta potrebbe aver alimentato buchi neri molto energetici chiamati quasar. Ancora oggi, la galassia più in alto del gruppo – NGC 7319 – ospita un nucleo galattico attivo, un buco nero supermassiccio 24 milioni di volte la massa del Sole. Sta attivamente attirando materiale ed emette energia luminosa equivalente a 40 miliardi di Soli.

Webb ha studiato il nucleo galattico attivo in grande dettaglio con lo spettrografo nel vicino infrarosso (NIRSpec) e lo strumento nel medio infrarosso (MIRI). Le unità di campo integrale (IFU) di questi strumenti, che sono una combinazione di una fotocamera e uno spettrografo, hanno fornito al team di Webb un “cubo di dati” o una raccolta di immagini delle caratteristiche spettrali del nucleo galattico.

Proprio come la risonanza magnetica che si usa in medicina (MRI), le IFU consentono agli scienziati di “tagliare” le informazioni in molte immagini per uno studio dettagliato. Webb ha perforato il velo di polvere che circonda il nucleo per rivelare gas caldo vicino al buco nero attivo e misurare la velocità dei flussi luminosi. Il telescopio ha visto questi deflussi guidati dal buco nero con un livello di dettaglio mai visto prima.

In NGC 7320, la galassia più a sinistra e più vicina nel raggruppamento visivo, Webb è stato in grado di risolvere singole stelle e persino il nucleo luminoso della galassia.

Come bonus, Webb ha rivelato un vasto mare di migliaia di lontane galassie sullo sfondo che ricordano i Deep Fields di Hubble.

Combinati con l’immagine a infrarossi più dettagliata di sempre del Quintetto di Stephan di MIRI e della NIRCam (Near-Infrared Camera), i dati di Webb forniranno una quantità di nuove e preziose informazioni. Ad esempio, aiuterà gli scienziati a capire la velocità con cui i buchi neri supermassicci si nutrono e crescono. Webb vede anche le regioni di formazione stellare in modo molto più diretto ed è in grado di esaminare l’emissione della polvere, un livello di dettaglio impossibile da ottenere fino ad ora.

Situato nella costellazione del Pegaso, il Quintetto di Stephan fu scoperto dall’astronomo francese Édouard Stephan nel 1877.

Webb ha cattura nei minimi dettagli la “performance” finale di una stella morente

Alcune stelle danno il meglio alla fine.

La stella più fioca al centro di questa scena ha emesso anelli di gas e polvere per migliaia di anni in tutte le direzioni e il telescopio spaziale James Webb della NASA ha rivelato per la prima volta che questa stella è ammantata di polvere.

Due telecamere a bordo di Webb hanno catturato l’ultima immagine di questa nebulosa planetaria, catalogata come NGC 3132 e conosciuta informalmente come la Nebulosa dell’Anello Meridionale. Dista circa 2.500 anni luce da noi.

Webb consentirà agli astronomi di approfondire molti più dettagli sulle nebulose planetarie come questa: nubi di gas e polvere espulse dalle stelle morenti. Capire quali molecole sono presenti e dove si trovano nei gusci di gas e polvere aiuterà i ricercatori ad affinare la loro conoscenza di questi oggetti.

Questa osservazione mostra la Nebulosa ad Anello Meridionale quasi di fronte, ma se potessimo ruotarla per vederla di taglio, la sua forma tridimensionale sembrerebbe rappresentare due ciotole poste insieme nella parte inferiore, che si aprono l’una dall’altra con un grande foro al centro.

Due stelle, che sono bloccate in un’orbita stretta, modellano il paesaggio locale. Le immagini a infrarossi di Webb presentano nuovi dettagli in questo sistema complesso. Le stelle – e i loro strati di luce – sono prominenti nell’immagine della NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb a sinistra, mentre l’immagine del Mid-Infrared Instrument (MIRI) di Webb a destra mostra per la prima volta che la seconda stella è circondata da polvere. La stella più luminosa si trova in una fase precedente della sua evoluzione stellare e probabilmente espellerà la propria nebulosa planetaria in futuro.

Nel frattempo, la stella più luminosa influenza l’aspetto della nebulosa. Mentre le due continuano a orbitare l’una attorno all’altra, “mescolano la pentola” di gas e polvere, generando schemi asimmetrici.

Ogni conchiglia rappresenta un episodio in cui la stella più debole ha perso parte della sua massa. I gusci di gas più larghi verso le aree esterne dell’immagine sono stati espulsi in precedenza. Quelli più vicini alla stella sono i più recenti. Tracciare queste espulsioni consente ai ricercatori di esaminare la storia di questo sistema binario.

Le osservazioni effettuate con NIRCam rivelano anche raggi di luce estremamente sottili attorno alla nebulosa planetaria. La luce delle stelle dalle stelle centrali esce dove ci sono buchi nel gas e nella polvere, come la luce solare attraverso le fessure di una nuvola.

Poiché le nebulose planetarie esistono da decine di migliaia di anni, osservare la nebulosa è come guardare un film al rallentatore. Ogni guscio emesso dalla stella offre ai ricercatori la capacità di misurare con precisione il gas e la polvere che sono presenti al suo interno.

Quando la stella espelle gusci di materiale, polvere e molecole si formano al loro interno, cambiando il paesaggio anche se la stella continua a espellere materiale. Questa polvere finirà per arricchire le aree circostanti, espandendosi in quello che è noto come mezzo interstellare . E poiché è molto longevo, la polvere potrebbe finire per viaggiare nello spazio per miliardi di anni e incorporarsi in una nuova stella o pianeta.

In migliaia di anni, questi delicati strati di gas e polvere si dissiperanno nello spazio circostante.

Webb ha rivelato in dettaglio l’atmosfera bollente di un pianeta lontano

Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha catturato la firma distintiva dell’acqua, insieme a prove di nuvole e foschia, nell’atmosfera che circonda un pianeta gigante gassoso caldo e gonfio in orbita attorno a una stella lontana simile al Sole.

L’osservazione, che rivela la presenza di specifiche molecole di gas in base a minuscole diminuzioni della luminosità di precisi colori della luce, è la più dettagliata del suo genere fino ad oggi, dimostrando la capacità senza precedenti di Webb di analizzare atmosfere distanti centinaia di anni luce.

Mentre il telescopio spaziale Hubble ha analizzato numerose atmosfere di esopianeti negli ultimi due decenni, catturando il primo chiaro rilevamento dell’acqua nel 2013, l’osservazione immediata e più dettagliata di Webb segna un gigantesco balzo in avanti nella ricerca per caratterizzare pianeti potenzialmente abitabili oltre la Terra.

WASP-96 b è uno degli oltre 5.000 esopianeti confermati nella Via Lattea. Situato a circa 1.150 anni luce di distanza nella costellazione del cielo meridionale della Fenice, rappresenta un tipo di gigante gassoso che non ha analoghi diretti nel nostro sistema solare. Con una massa inferiore alla metà di quella di Giove e un diametro 1,2 volte maggiore, WASP-96 b è molto più gonfio di qualsiasi pianeta in orbita attorno al nostro Sole. E con una temperatura superiore a 1000°F, è significativamente più caldo. WASP-96 b orbita estremamente vicino alla sua stella simile al Sole, a solo un nono della distanza tra Mercurio e il Sole, completando un’orbita ogni 3 giorni e mezzo della Terra.

La combinazione di grandi dimensioni, breve periodo orbitale, atmosfera gonfia e mancanza di luce contaminante da oggetti vicini nel cielo rende WASP-96 b un bersaglio ideale per le osservazioni atmosferiche.

Il 21 giugno, il Near-Infrared Imager e lo Slitless Spectrograph (NIRISS) di Webb hanno misurato la luce del sistema WASP-96 per 6,4 ore mentre il pianeta si muoveva davanti la stella. Il risultato è una curva di luce che mostra l’attenuazione complessiva della luce stellare durante il transito e uno spettro di trasmissione che rivela il cambiamento di luminosità delle singole lunghezze d’onda della luce infrarossa tra 0,6 e 2,8 micron.

Mentre la curva di luce conferma le proprietà del pianeta che erano già state determinate da altre osservazioni – l’esistenza, le dimensioni e l’orbita del pianeta – lo spettro di trasmissione rivela dettagli precedentemente nascosti dell’atmosfera: la firma inequivocabile dell’acqua, indicazioni di foschia, e prove di nuvole che si pensava non esistessero sulla base di osservazioni precedenti.

Uno spettro di trasmissione viene creato confrontando la luce stellare filtrata attraverso l’atmosfera di un pianeta mentre si sposta attraverso la stella con la luce stellare non filtrata rilevata quando il pianeta è accanto alla stella. I ricercatori sono in grado di rilevare e misurare le abbondanze di gas chiave nell’atmosfera di un pianeta in base al modello di assorbimento: le posizioni e le altezze dei picchi sul grafico. Allo stesso modo in cui le persone hanno impronte digitali distintive e sequenze di DNA, atomi e molecole hanno modelli caratteristici di lunghezze d’onda che assorbono.

Lo spettro di WASP-96 b catturato da NIRISS non è solo lo spettro di trasmissione nel vicino infrarosso più dettagliato dell’atmosfera di un esopianeta catturato fino ad oggi, ma copre anche una gamma straordinariamente ampia di lunghezze d’onda, inclusa la luce rossa visibile e una parte dello spettro che non era precedentemente accessibile da altri telescopi (lunghezze d’onda superiori a 1,6 micron). Questa parte dello spettro è particolarmente sensibile all’acqua e ad altre molecole chiave come ossigeno, metano e anidride carbonica, che non sono immediatamente evidenti nello spettro WASP-96 b ma che dovrebbero essere rilevabili in altri esopianeti pianificati per l’osservazione da Webb .

I ricercatori saranno in grado di utilizzare lo spettro per misurare la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera, limitare l’abbondanza di vari elementi come carbonio e ossigeno e stimare la temperatura dell’atmosfera con la profondità. Possono quindi utilizzare queste informazioni per fare inferenze sulla composizione generale del pianeta, nonché su come, quando e dove si è formato. La linea blu sul grafico è il modello più adatto che tiene conto dei dati, delle proprietà note di WASP-96 b e della sua stella (ad es. dimensioni, massa, temperatura) e delle presunte caratteristiche dell’atmosfera.

L’eccezionale dettaglio e la chiarezza di queste misurazioni sono possibili grazie al design all’avanguardia di Webb. Il suo specchio rivestito in oro raccoglie la luce infrarossa in modo efficiente. I suoi spettrografi di precisione diffondono la luce in arcobaleni di migliaia di colori a infrarossi. E i suoi sensibili rivelatori a infrarossi misurano differenze di luminosità estremamente sottili. NIRISS è in grado di rilevare differenze di colore solo di circa un millesimo di micron (la differenza tra verde e giallo è di circa 50 micron) e differenze di luminosità tra quei colori di poche centinaia di parti per milione.

Inoltre, l’estrema stabilità di Webb e la sua posizione orbitale intorno al punto 2 di Lagrange, a circa un milione e mezzo di chilometri di distanza dagli effetti contaminanti dell’atmosfera terrestre, garantiscono una visione ininterrotta e dati puliti che possono essere analizzati in tempi relativamente brevi.

Lo spettro straordinariamente dettagliato, realizzato analizzando simultaneamente 280 spettri individuali catturati durante l’osservazione, fornisce solo un suggerimento di ciò che Webb ha in serbo per la ricerca sugli esopianeti. Nel prossimo anno, i ricercatori utilizzeranno la spettroscopia per analizzare le superfici e le atmosfere di diverse dozzine di esopianeti, da piccoli pianeti rocciosi a giganti ricchi di gas e ghiaccio. Quasi un quarto del tempo di osservazione del Ciclo 1 di Webb è dedicato allo studio degli esopianeti e dei materiali che li formano.

Questa osservazione NIRISS dimostra che Webb ha il potere di caratterizzare le atmosfere di esopianeti, comprese quelle di pianeti potenzialmente abitabili, con dettagli squisiti.

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