Universo: il JWST riscrive l'alba cosmica, fu un inizio lampo

La storia dell’universo non torna del tutto. Pensavamo di sapere quando le prime stelle e galassie diedero luce al cosmo oscuro. Nuovi telescopi hanno scrutato più a fondo, più indietro nel tempo. Ciò che hanno trovato è sconvolgente. L’universo è iniziato molto più velocemente di quanto i nostri modelli avessero previsto.

Prima del JWST, immaginavo l’alba cosmica come un lento risveglio. Il Big Bang diede origine all’universo, poi lo immerse nelle Età Oscure Cosmiche. Quest’era durò centinaia di milioni di anni. Plasma caldo e denso riempiva l’universo. Si raffreddò. Gli elettroni si combinarono con i protoni, formando atomi neutri di idrogeno ed elio.

Questo gas neutro rese l’universo opaco. Non esistevano stelle o galassie. Era una vasta, fredda distesa di gas neutro. Gli scienziati la chiamano “Epoca della Reionizzazione”. Questo è ciò che stiamo cercando di capire.

I telescopi sono macchine del tempo. La luce viaggia a una velocità finita. Guardare oggetti distanti significa vedere la luce emessa miliardi di anni fa. Vediamo l’universo com’era. Questo ci aiuta a studiare il “DOVE” e il “QUANDO” dell’alba cosmica. Gli astronomi di Hubble e JWST rappresentano il “CHI” in questa storia investigativa cosmica.

I primi indizi di Hubble di un’alba affrettata

Per decenni, Hubble ha spinto i limiti della nostra visione. Ci ha dato i nostri primi veri scorci sull’universo primordiale. A metà degli anni 2000, Hubble trovò galassie deboli e distanti. Risalivano a quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni. Le sue indagini profonde, come l’Hubble Ultra Deep Field, rivelarono migliaia di galassie.

Entro il 2016, Hubble, tramite il programma Frontier Fields, mostrò galassie con redshift fino a z~11. La loro luce ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni per raggiungerci. Queste piccole galassie in formazione apparvero sorprendentemente numerose. Il Dott. Richard Ellis dell’UCL ha guidato questa ricerca. Ciò suggeriva che la formazione stellare fosse più efficiente di quanto si pensasse inizialmente.

Le capacità infrarosse di Hubble erano limitate. Riusciva a malapena a rilevare la luce spostata verso il rosso proveniente da oggetti distanti. Vedevamo solo le punte più luminose dell’iceberg. Eppure, la quantità di questi oggetti primordiali suggeriva qualcosa. L’universo sembrava illuminarsi più velocemente di quanto i modelli suggerissero. Fui sorpreso da quante galassie Hubble trovò, dati i suoi limiti.

L'iconica immagine dell'Hubble Ultra Deep Field cattura migliaia di galassie, alcune risalenti a meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, fornendo spunti cruciali sulla sorprendentemente rapida formazione stellare iniziale dell'universo. (Fonte: esawebb.org)

Il JWST svela un’infanzia inaspettatamente luminosa

Poi arrivò il James Webb Space Telescope. Lanciato il 25 dicembre 2021, il JWST aveva una sensibilità infrarossa ineguagliabile. Il suo specchio primario di 6,5 metri è molto più grande rispetto ai 2,4 metri di Hubble. Ha raccolto molta più luce. Ha anche scrutato più a fondo nello spettro infrarosso. Questo è vitale per osservare oggetti con un elevato redshift.

Le prime immagini a colori del JWST sono arrivate a luglio 2022. Hanno immediatamente rimodellato la nostra comprensione. Nel giro di mesi, indagini come CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) e JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) hanno fatto scoperte incredibili. I ricercatori hanno trovato galassie con redshift z > 10, alcune anche oltre z = 13. GLASS-z13 e JADES-GS-z13-0, per esempio, furono tra le prime confermate. La luce che osserviamo da queste galassie è partita quando l’universo aveva solo circa 330 milioni di anni.

Il vero shock non fu solo trovare queste galassie. Fu la loro dimensione e luminosità. La Dott.ssa Emma Chapman di Nottingham ha espresso sorpresa collettiva. Queste galassie primordiali erano molto più luminose e massicce di quanto i modelli standard avessero previsto. Alcune avevano masse stellari pari a miliardi di soli. Questo suggerisce che formarono stelle molto rapidamente.

Il mio momento “aha!” si è verificato osservando queste immagini di galassie. I modelli prevedevano una crescita lenta e graduale. Ma queste galassie erano come bambini già formati, non neonati. Sembrava di guardare un film accelerato. L’universo ha prodotto stelle e galassie a un ritmo sorprendente. Questo ha sfidato il modello Lambda-CDM. Ha suggerito un processo molto più veloce.

L’enigma della reionizzazione: dove è andata tutta la luce ionizzante?

Il JWST ci ha mostrato un universo brulicante di galassie primordiali luminose. Ma un altro pezzo del puzzle ci pone una sfida. La reionizzazione è avvenuta quando l’universo è passato da uno stato di idrogeno prevalentemente neutro a uno prevalentemente ionizzato. La luce ultravioletta delle prime stelle e quasar ha guidato questo processo. Studiarla ci aiuta a capire la produzione totale di fotoni ionizzanti.

Gli astronomi usano radiotelescopi come il Low-Frequency Array (LOFAR) in Europa e l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) in Sudafrica. Questi strumenti cercano il debole segnale a 21 cm dall’idrogeno neutro. Questo segnale sonda direttamente le Età Oscure. Le loro osservazioni suggeriscono che la reionizzazione si sia in gran parte conclusa intorno a redshift z6 a z7. Ciò significa che si è completata quando l’universo aveva circa 800-900 milioni di anni.

Il James Webb Space Telescope, lanciato a dicembre 2021, è raffigurato completamente dispiegato nello spazio. Il suo specchio primario di 6,5 metri, significativamente più grande di quello di Hubble, consente la sua ineguagliabile sensibilità infrarossa per osservare oggetti con elevato redshift e le galassie più antiche dell'universo. (Fonte: space.com)

Ecco la tensione. Il JWST mostra molte galassie massicce e luminose a z > 10. Allora perché la reionizzazione ha impiegato così tanto tempo? Queste galassie primordiali avrebbero dovuto produrre un’ondata di fotoni ionizzanti. La Dott.ssa Anastasia Fialkov, cosmologa di Cambridge, sottolinea questa discrepanza. Le numerose sorgenti luminose del JWST implicano una reionizzazione più rapida. Ma le osservazioni a 21 cm di LOFAR suggeriscono un processo più lungo.

Forse le galassie primordiali formarono stelle in modo molto efficiente. Ma forse i loro fotoni ionizzanti sono sfuggiti nello spazio meno efficacemente. Un’altra idea: le prime stelle, le stelle di Popolazione III, hanno giocato un ruolo più importante. Queste stelle ipotetiche erano massicce, prive di metalli e di breve durata. Hanno prodotto un’immensa radiazione ionizzante. Sono troppo deboli perché il JWST possa vederle. L‘“enigma della reionizzazione” rimane un’importante area di ricerca. Ci fa riconsiderare la formazione delle galassie primordiali e come essa abbia influenzato il gas tra di esse.

Domande frequenti

Che cos’è l’alba cosmica? L’alba cosmica è il momento in cui le prime stelle e galassie si sono accese. Questo ha posto fine alle “Età Oscure” dell’Universo. La loro luce ha poi ionizzato il gas di idrogeno neutro che riempiva lo spazio.

Come fanno i telescopi a vedere così indietro nel tempo? I telescopi agiscono come macchine del tempo perché la luce viaggia a una velocità finita. Quando gli astronomi osservano oggetti distanti, catturano la luce emessa miliardi di anni fa. Questo ci mostra l’universo nella sua infanzia.

Qual è la sorpresa principale delle scoperte del JWST? Il JWST ha trovato molte galassie massicce e luminose in tempi molto antichi (z > 10). Questo dimostra che la formazione stellare e la crescita delle galassie sono avvenute molto più velocemente e prima. I modelli precedenti non lo prevedevano.

Quali furono le “età oscure” dell’universo? Le Età Oscure sono arrivate dopo il Big Bang. Sono durate centinaia di milioni di anni. L’universo era allora riempito di gas di idrogeno ed elio neutri. Non esistevano ancora stelle o galassie a produrre luce.

Il futuro della prima luce

Le scoperte del JWST hanno aperto un nuovo capitolo nella cosmologia. Hanno costretto gli astronomi a ripensare la formazione e l’evoluzione delle galassie. Ci interroghiamo su quanto velocemente l’universo abbia assemblato le sue prime strutture. Questo sfida la nostra comprensione degli aloni di materia oscura e dell’efficienza della formazione stellare. Suggerisce che i nostri modelli dell’universo primordiale potrebbero aver bisogno di grandi aggiustamenti.

Il LOFAR (Low-Frequency Array) è una vasta rete di radiotelescopi in tutta Europa, progettata per rilevare deboli segnali radio dall'universo primordiale. Le sue osservazioni a 21 cm dell'idrogeno neutro forniscono dati cruciali sull'epoca della reionizzazione, evidenziando una discrepanza chiave con le scoperte del JWST sulla formazione delle galassie primordiali. (Fonte: observatoiredeparis.psl.eu)

Le future osservazioni del JWST spingeranno ulteriormente questi confini. Gli scienziati cercheranno galassie ancora più antiche. Cercheranno anche prove dirette delle stelle di Popolazione III. Radiotelescopi di prossima generazione, come lo Square Kilometre Array (SKA), misureranno il segnale a 21 cm con maggiore precisione. Questo aiuterà a risolvere l’enigma della reionizzazione. L’infanzia dell’universo è molto più dinamica e complessa di quanto immaginassimo. Questo non è solo un aggiustamento ai nostri modelli. È un cambiamento fondamentale nel modo in cui vediamo la storia cosmica, costringendoci a riscrivere i primi capitoli dell’universo.

Lo Square Kilometre Array (SKA) è un ambizioso progetto internazionale che sta costruendo il più grande radiotelescopio del mondo, con siti in Australia e Sudafrica. Una volta completato, la sua vasta rete di parabole e antenne esplorerà le epoche più antiche dell'universo, inclusa l''alba cosmica' e il periodo della reionizzazione. (Fonte: space.com)

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