Gli astronomi guidati da Eduardo Bañados del Max Planck Institute for Astronomy hanno scoperto una nube di gas che contiene informazioni su una prima fase della formazione di galassie e stelle, solo 850 milioni di anni dopo il Big Bang. La nuvola è stata trovata casualmente durante le osservazioni di un quasar lontano, e ha le proprietà che gli astronomi si aspettano dai precursori delle moderne galassie nane. Quando si tratta di abbondanze relative, la chimica della nuvola è sorprendentemente moderna, mostrando che le prime stelle nell'universo devono essersi formate molto rapidamente dopo il Big Bang. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale Astrofisico .

Quando gli astronomi guardano oggetti lontani, guardano necessariamente indietro nel tempo. La nube di gas scoperta da Bañados et al. è così distante che la sua luce ha impiegato quasi 13 miliardi di anni per raggiungerci; al contrario, la luce che ci raggiunge ora ci dice come appariva la nube di gas quasi 13 miliardi di anni fa, non più di circa 850 milioni di anni dopo il Big Bang. Per gli astronomi, questa è un'epoca estremamente interessante. Entro le prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, si formarono le prime stelle e galassie, ma i dettagli di quella complessa evoluzione sono ancora in gran parte sconosciuti.

Questa nube di gas molto lontana è stata una scoperta fortuita. Banados, poi al Carnegie Institution for Science, e i suoi colleghi stavano seguendo diversi quasar da un sondaggio di 15 dei quasar più distanti conosciuti (z³6.5), che era stato preparato da Chiara Mazzucchelli come parte del suo dottorato di ricerca. ricerca presso il Max Planck Institute for Astronomy. All'inizio, i ricercatori hanno appena notato che il quasar P183+05 aveva uno spettro piuttosto insolito. Ma quando Bañados ha analizzato uno spettro più dettagliato, ottenuti con i Magellan Telescopes presso l'Osservatorio di Las Campanas in Cile, capì che stava succedendo qualcos'altro:le strane caratteristiche spettrali erano le tracce di una nube di gas che era molto vicina al lontano quasar, una delle nubi di gas più distanti che gli astronomi siano stati in grado di identificare.

Illuminato da un lontano quasar

I quasar sono i nuclei attivi estremamente luminosi di galassie lontane. La forza trainante della loro luminosità è il buco nero supermassiccio centrale della galassia. La materia che vortica intorno a quel buco nero (prima di caderci dentro) si riscalda fino a raggiungere temperature di centinaia di migliaia di gradi, emettendo enormi quantità di radiazioni. Ciò consente agli astronomi di utilizzare i quasar come fonti di fondo per rilevare l'idrogeno e altri elementi chimici in assorbimento:se una nube di gas si trova direttamente tra l'osservatore e un quasar distante, parte della luce del quasar sarà assorbita.

Gli astronomi possono rilevare questo assorbimento studiando lo spettro del quasar, questo è, la decomposizione arcobaleno della luce del quasar nelle diverse regioni di lunghezza d'onda. Il modello di assorbimento contiene informazioni sulla composizione chimica della nube di gas, temperatura, densità e anche sulla distanza della nuvola da noi (e dal quasar). Dietro questo c'è il fatto che ogni elemento chimico ha una "impronta digitale" di righe spettrali, regione di lunghezze d'onda strette in cui gli atomi di quell'elemento possono emettere o assorbire la luce particolarmente bene. La presenza di una caratteristica impronta digitale rivela la presenza e l'abbondanza di uno specifico elemento chimico.

Non proprio il cloud che stavano cercando

Dallo spettro della nuvola di gas, i ricercatori hanno potuto immediatamente dire la distanza della nuvola, e che stavano guardando indietro nel primo miliardo di anni della storia cosmica. Hanno anche trovato tracce di diversi elementi chimici tra cui carbonio, ossigeno, ferro da stiro, e magnesio. Però, la quantità di questi elementi era minuscola, circa 1/800 volte l'abbondanza nell'atmosfera del nostro sole. Gli astronomi chiamano sommariamente tutti gli elementi più pesanti dell'elio "metalli"; questa misurazione rende la nube di gas uno dei sistemi più poveri di metalli (e distanti) conosciuti nell'universo. Michael Rauch della Carnegie Institution of Science, chi è coautore del nuovo studio, dice:"Dopo esserci convinti che stavamo osservando un gas così incontaminato solo 850 milioni di anni dopo il Big Bang, abbiamo iniziato a chiederci se questo sistema potesse ancora conservare le firme chimiche prodotte dalla primissima generazione di stelle".

Trovando queste prima generazione, le cosiddette stelle di "popolazione III" è uno degli obiettivi più importanti nella ricostruzione della storia dell'universo. Nell'universo successivo, gli elementi chimici più pesanti dell'idrogeno svolgono un ruolo importante nel far collassare le nubi di gas per formare le stelle. Ma quegli elementi chimici, in particolare il carbonio, sono essi stessi prodotti nelle stelle, e scagliato nello spazio in esplosioni di supernova. Per le prime stelle, quei facilitatori chimici semplicemente non sarebbero stati lì, poiché subito dopo la fase del Big Bang, c'erano solo atomi di idrogeno ed elio. Questo è ciò che rende le prime stelle fondamentalmente diverse da tutte le stelle successive.

L'analisi ha mostrato che la composizione chimica della nuvola non era chimicamente primitiva, ma invece le abbondanze relative erano sorprendentemente simili alle abbondanze chimiche osservate nelle odierne nubi di gas intergalattiche. I rapporti delle abbondanze degli elementi più pesanti erano molto vicini ai rapporti nell'universo moderno. Il fatto che questa nube di gas nell'universo primordiale contenga già metalli con moderne abbondanze chimiche relative pone sfide chiave per la formazione della prima generazione di stelle.

tante stelle, così poco tempo

Questo studio implica che la formazione delle prime stelle in questo sistema deve essere iniziata molto prima:le rese chimiche attese dalle prime stelle erano già state cancellate dalle esplosioni di almeno un'altra generazione di stelle. Un particolare vincolo temporale deriva dalle supernove di tipo Ia, esplosioni cosmiche che sarebbero necessarie per produrre metalli con le abbondanze relative osservate. Tali supernove in genere hanno bisogno di circa 1 miliardo di anni per realizzarsi, che pone un serio vincolo su qualsiasi scenario di come si siano formate le prime stelle.

Ora che gli astronomi hanno trovato questa primissima nuvola, cercano sistematicamente ulteriori esempi. Eduardo Bañados afferma:"È emozionante poter misurare la metallicità e le abbondanze chimiche così presto nella storia dell'universo, ma se vogliamo identificare le firme delle prime stelle dobbiamo sondare anche prima nella storia cosmica. Sono ottimista sul fatto che troveremo nuvole di gas ancora più lontane, che potrebbe aiutarci a capire come sono nate le prime stelle."

I risultati qui descritti sono stati pubblicati in Bañados et al., "Un sistema Lyα smorzato povero di metalli a redshift 6.4, " nel Giornale Astrofisico .