Non molto tempo dopo il Big Bang, le prime generazioni di stelle iniziarono ad alterare la composizione chimica delle galassie primitive, arricchendo lentamente il mezzo interstellare con elementi di base come ossigeno, carbonio, e azoto. Trovare le prime tracce di questi elementi comuni getterebbe una luce importante sull'evoluzione chimica delle galassie, compreso il nostro.

Nuove osservazioni con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) rivelano il debole, firma rivelatrice dell'ossigeno proveniente da una galassia a una distanza record di 13,28 miliardi di anni luce dalla Terra, il che significa che stiamo osservando questo oggetto come appariva quando l'universo aveva solo 500 milioni di anni, o meno del 4% della sua età attuale.

Per una galassia così giovane, noto come MACS1149-JD1, contenere tracce rilevabili di ossigeno, deve aver iniziato a forgiare stelle anche prima:appena 250 milioni di anni dopo il Big Bang. Questo è eccezionalmente all'inizio della storia dell'universo e suggerisce che i ricchi ambienti chimici si sono evoluti rapidamente.

"Ero entusiasta di vedere il segnale dell'ossigeno più lontano, " spiega Takuya Hashimoto, l'autore principale del documento di ricerca pubblicato sulla rivista Natura e ricercatore presso l'Università Sangyo di Osaka e l'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone.

"Questo estremamente distante, galassia estremamente giovane ha una notevole maturità chimica, " ha detto Wei Zheng, un astronomo alla Johns Hopkins University di Baltimora, che ha guidato la scoperta di questa galassia con il telescopio spaziale Hubble e ne ha stimato la distanza. È anche membro del gruppo di ricerca di ALMA. "È davvero notevole che ALMA abbia rilevato una linea di emissione, l'impronta digitale di un particolare elemento, a una distanza così record".

Dopo il Big Bang, la composizione chimica dell'universo era nettamente limitata, senza nemmeno una traccia di elementi come l'ossigeno. Ci vorrebbero diverse generazioni di nascita di stelle e supernove per seminare il giovane cosmo con quantità rilevabili di ossigeno, carbonio, e altri elementi forgiati nel cuore delle stelle.

Dopo essere stati liberati dalle loro fornaci stellari dalle supernove, questi atomi di ossigeno si sono fatti strada nello spazio interstellare. Lì si sono surriscaldati e sono stati ionizzati dalla luce e dalle radiazioni delle stelle massicce. questi caldi, atomi ionizzati poi "brillavano" brillantemente alla luce infrarossa. Mentre questa luce percorreva le vaste distanze cosmiche verso la Terra, si è allungato per l'espansione dell'universo, alla fine si trasforma nella distinta luce di lunghezza d'onda millimetrica che ALMA è specificamente progettata per rilevare e studiare.

Misurando il cambiamento preciso nella lunghezza d'onda di questa luce, dall'infrarosso al millimetro, il team ha determinato che questo segnale rivelatore di ossigeno ha viaggiato per 13,28 miliardi di anni luce per raggiungerci, rendendolo il segnale di ossigeno più distante mai rilevato da un telescopio. Questa stima della distanza è stata ulteriormente confermata dalle osservazioni dell'idrogeno neutro nella galassia da parte del Very Large Telescope dell'Osservatorio europeo meridionale. Queste osservazioni verificano in modo indipendente che MACS1149-JD1 è la galassia più lontana con una misurazione precisa della distanza.

Il team ha quindi ricostruito la storia della formazione stellare nella galassia utilizzando i dati a infrarossi acquisiti con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA e il telescopio spaziale Spitzer della NASA. La luminosità osservata della galassia è ben spiegata da un modello in cui l'inizio della formazione stellare avvenne altri 250 milioni di anni fa. The model indicates that the star formation became inactive after the first stars ignited. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, " said Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. Nel 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Ora, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., to appear in the journal Natura .