L'ammasso di galassie Abell 2744 si trova a una distanza di circa 3,5 miliardi di anni luce e contiene più di 400 galassie membri. La gravità combinata di tutte le galassie fa sì che l'ammasso agisca come una lente per ingrandire la luce delle stelle oltre a includere, la squadra spera le prime stelle a formarsi nell'universo. Credito:NASA/ESA/Arizona State University (R. Windhorst e F. Timmes)
Circa 200-400 milioni di anni dopo che il Big Bang creò l'universo, cominciarono ad apparire le prime stelle. Normalmente le stelle che si trovano a una distanza così grande nello spazio e nel tempo sarebbero fuori portata anche per il nuovo James Webb Space Telescope della NASA, previsto per il lancio nel 2020.
Però, gli astronomi dell'Arizona State University stanno guidando un team di scienziati che propongono che con un buon tempismo e un po' di fortuna, il telescopio spaziale Webb sarà in grado di catturare la luce delle prime stelle nate nell'universo.
"Cercare le prime stelle è stato a lungo un obiettivo dell'astronomia, " disse Rogier Windhorst, Professore di astrofisica presso la Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio dell'ASU. "Ci parleranno delle effettive proprietà dell'universo primordiale, cose che fino ad ora abbiamo solo modellato sui nostri computer."
collaboratore di Windhorst, Frank Timmes, professore di astrofisica presso la Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio, aggiunge, "Vogliamo rispondere a domande sull'universo primordiale come, le stelle binarie erano comuni o la maggior parte delle stelle era singola? Quanti elementi chimici pesanti sono stati prodotti, cucinato dalle primissime stelle, e come si sono formate effettivamente quelle prime stelle?
Duho Kim, uno studente laureato della Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio di Windhorst, ha lavorato sulla modellazione delle popolazioni stellari e della polvere nelle galassie.
Gli altri collaboratori sulla carta sono J. Stuart B. Wyithe (Università di Melbourne, Australia), Mehmet Alpaslan (Università di New York), Stephen K. Andrews (Università dell'Australia occidentale), Daniel Coe (Istituto di scienze del telescopio spaziale), Jose M. Diego (Instituto de Fisica de Cantabria, Spagna), Mark Dijkstra (Università di Oslo), e Simon P. Driver e Patrick L. Kelly (entrambi University of California, Berkeley).
La carta della squadra, pubblicato in Supplemento al giornale di astrofisica , descrive come possono essere fatte le osservazioni impegnative.
Lente d'ingrandimento della gravità
Il primo passo essenziale nel compito si basa sulla sensibilità a infrarossi del telescopio Webb. Mentre le prime stelle erano grandi, calda e irradiata luce ultravioletta lontana, si trovano così lontano che l'espansione dell'universo ha spostato il loro picco di radiazione dall'ultravioletto a lunghezze d'onda dell'infrarosso molto più lunghe. Così la loro luce stellare cade nei rivelatori a infrarossi del telescopio Webb come una palla da baseball che atterra nel guantone di un fielder.
Il secondo passaggio essenziale consiste nell'utilizzare la gravità combinata di un ammasso di galassie interposto come lente per focalizzare e ingrandire la luce delle stelle di prima generazione. Le lenti gravitazionali tipiche possono ingrandire la luce da 10 a 20 volte, ma non è abbastanza per rendere visibile una stella di prima generazione al telescopio Webb. Per Webb, la luce della stella candidata deve essere potenziata di un fattore 10, 000 o più.
Per ottenere così tanto ingrandimento richiede "transiti caustici, " allineamenti speciali in cui la luce di una stella viene notevolmente ingrandita per alcune settimane mentre l'ammasso di galassie si sposta nel cielo tra la Terra e la stella.
I transiti caustici si verificano perché un ammasso di galassie che agisce come una lente non produce una singola immagine come una lente di ingrandimento. L'effetto è più simile a guardare attraverso una lastra di vetro bitorzoluta, con zone nulle e punti caldi. Una caustica è dove l'ingrandimento è maggiore, e poiché le galassie nell'ammasso di lenti si estendono al suo interno, producono più caustiche di ingrandimento che tracciano uno schema nello spazio come una ragnatela.
Giocare con le probabilità
Quanto è probabile un tale allineamento? Piccolo ma non zero, dicono gli astronomi, e notano che la ragnatela delle caustiche aiuta a stendere una rete. Inoltre ogni caustica è asimmetrica, producendo un forte aumento al massimo ingrandimento se una stella si avvicina da un lato, ma un'ascesa molto più lenta se si avvicina dall'altra parte.
"A seconda da quale lato della caustica si avvicina, una prima stella si illuminerebbe per ore, o diversi mesi, " ha spiegato Windhorst. "Poi, dopo aver raggiunto un picco di luminosità per diverse settimane, svanirebbe di nuovo, o lentamente o rapidamente, mentre si allontana dalla linea caustica."
Un attributo chiave delle prime stelle è che si sono formate dalla miscela di idrogeno ed elio dell'universo primordiale senza elementi chimici più pesanti come il carbonio, ossigeno, ferro da stiro, o oro. Incredibilmente caldo e brillantemente blu-bianco, le prime stelle mostrano uno spettro semplice da manuale come un'impronta digitale, come calcolato dal team dell'ASU utilizzando lo strumento software aperto Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.
Quando gli astronomi tracciano le stelle in base alla temperatura e alla luminosità, le stelle giacciono in varie regioni del diagramma; la maggior parte si trova lungo la Sequenza Principale. Il Sole, in basso a destra, ha una durata di circa 6,4 miliardi di anni (Gyr). La prima generazione di stelle è estremamente calda e diventa grande prima di esplodere come supernova dopo solo pochi milioni di anni (Myr). Credito:Arizona State University/F. tempi
Un altro oggetto potenzialmente visibile dallo stesso effetto di ingrandimento è un disco di accrescimento attorno ai primi buchi neri formatisi dopo il Big Bang. I buchi neri sarebbero il risultato evolutivo finale delle prime stelle più massicce. E se tali stelle fossero in un sistema a due stelle (binario), la stella più massiccia, dopo essere crollato in un buco nero, ruberebbe il gas al suo compagno per formare un disco piatto che si alimenta nel buco nero.
Un disco di accrescimento mostrerebbe uno spettro diverso da una prima stella mentre transita una caustica, producendo una maggiore luminosità a lunghezze d'onda più corte dal caldo, parte più interna del disco rispetto alle zone esterne più fredde di esso. Anche l'aumento e il decadimento della luminosità richiederebbero più tempo, anche se questo effetto sarebbe probabilmente più difficile da rilevare.
I dischi di accrescimento dovrebbero essere più numerosi perché le prime stelle solitarie, essendo massiccio e caldo, sfrecciano attraverso le loro vite in pochi milioni di anni prima di esplodere come supernova. Però, la teoria suggerisce che un disco di accrescimento in un sistema di buchi neri potrebbe brillare almeno dieci volte più a lungo di una prima stella solitaria. Tutto il resto è uguale, ciò aumenterebbe le probabilità di rilevare i dischi di accrescimento.
Si tratta di supposizioni plausibili in questa fase, ma il team calcola che un programma di osservazione che mira a diversi ammassi di galassie un paio di volte all'anno per la durata del telescopio Webb potrebbe trovare una prima stella o un disco di accrescimento di un buco nero con lenti. I ricercatori hanno selezionato alcuni cluster target, compresi gli ammassi di Hubble Frontier Fields e l'ammasso noto come "El Gordo".
"Dobbiamo solo essere fortunati e osservare questi ammassi abbastanza a lungo, "Ha detto Windhorst. "La comunità astronomica dovrebbe continuare a monitorare questi ammassi durante la vita di Webb".
Questo diagramma illustra come i raggi di luce di una galassia o stella lontana possono essere piegati dalla gravità di un ammasso di galassie interposto. Di conseguenza, un osservatore sulla Terra vede l'oggetto distante apparire più luminoso di quanto sembrerebbe se non fosse dotato di lenti gravitazionali. Credito:NASA, ESA, e A. Feild e F. Summers (STScI)
Al di là di Webb
Il che solleva un punto. Mentre il telescopio spaziale Webb sarà una meraviglia tecnica, non avrà una lunga vita operativa come il telescopio spaziale Hubble. Lanciato nel 1990, il telescopio Hubble è in orbita terrestre bassa ed è stato servito dagli astronauti cinque volte.
Il telescopio spaziale Webb, però, sarà posto in un punto gravitazionalmente stabile nello spazio interplanetario, 1,5 milioni di chilometri (930, 000 miglia) dalla Terra. È stato progettato per funzionare da 5 a 10 anni, che con cura potrebbe estendersi a circa 15 anni. Ma non è prevista la manutenzione da parte degli astronauti.
Di conseguenza, Windhorst nota che l'ASU è entrata a far parte della Giant Magellan Telescope Organization. Si tratta di un consorzio di università e istituti di ricerca che costruirà il suo omonimo telescopio sulla cima di una montagna alta e asciutta presso l'Osservatorio di Las Campanas in Cile. Il sito è ideale per l'osservazione a infrarossi.
Al termine nel 2026, il GMT avrà una superficie di raccolta della luce di 24,5 metri (80 piedi) di diametro, costruito da sette specchi individuali. (Lo specchio principale del telescopio spaziale Webb ha 18 sezioni e un diametro totale di 6,5 metri, o 21 piedi.) Si prevede che gli specchi GMT raggiungano un potere di risoluzione 10 volte maggiore di quello del telescopio spaziale Hubble nella regione dell'infrarosso dello spettro.
Ci sarà un periodo durante il quale il Telescopio Webb e il Telescopio Gigante Magellano saranno entrambi in funzione.
"Stiamo pianificando di fare osservazioni di stelle di prima generazione e altri oggetti con i due strumenti, "Ha detto Windhorst. "Questo ci permetterà di calibrare in modo incrociato i risultati di entrambi".
La sovrapposizione tra i due telescopi è importante in un altro modo, Egli ha detto.
"La vita operativa del GMT continuerà per molti decenni nel futuro. Questo è diverso dal telescopio Webb, che alla fine finirà il carburante del propulsore per mantenere la sua orbita nello spazio."
Quando ciò accade, il contatto con il telescopio Webb andrà perso e la sua missione avrà fine.
Detto Windhorst, "In un modo o nell'altro, siamo fiduciosi di poter rilevare le prime stelle nell'universo".
