Il cielo notturno è una macchina del tempo naturale, utilizzato dai cosmologi per esplorare le origini e l'evoluzione dell'universo. Raggiungendo le profondità del passato, una classe di studenti universitari dell'Università di Chicago ha cercato di fare lo stesso e ha scoperto una galassia straordinariamente lontana nel cosmo primordiale.

La luce emessa da oggetti celesti lontani impiega molto tempo per raggiungere gli osservatori della Terra. Ciò significa che le stelle e le galassie che vediamo nel cielo ci appaiono come sarebbero esistite milioni, o addirittura miliardi, di anni fa.

La luce della galassia scoperta proviene da un'epoca in cui l'universo aveva solo 1,2 miliardi di anni, circa un decimo della sua età attuale. A questo punto, la giovane galassia aveva già accumulato una massa straordinariamente paragonabile alla versione attuale della nostra galassia natale, la via Lattea.

"Questa galassia che abbiamo osservato, guardando fuori e indietro nel passato, è già cresciuto. Ha già formato quasi un valore di stelle della Via Lattea, " ha detto Michael Gladders, un professore nel dipartimento di astronomia e astrofisica di UChicago. "È abbastanza maturo, ma in una fase molto precedente nell'universo."

La scoperta è stata una pietra miliare nella prima iterazione di un corso sul campo sviluppato per il nuovo corso di astrofisica offerto da UChicago. Gli studenti della classe di due quarti hanno formato una nuova collaborazione di ricerca, LAMPADE FREDDE, e ha esaminato database di immagini pubbliche alla ricerca di galassie con lenti. La straordinaria scoperta è stata confermata dalle osservazioni di strumenti a terra:i telescopi Magellan in Cile e il telescopio Gemini North alle Hawaii.

"Il telescopio della natura"

Una galassia con lente è quella la cui luce emessa è stata piegata dalla gravità di un oggetto massiccio che si trova tra la galassia e il punto di osservazione. Questo effetto, noto come lente gravitazionale, crea una distorsione, immagine ad arco della galassia con una luminosità intensamente ingrandita.

Gladders, che ha tenuto il corso sul campo nella prima metà del 2020, chiama la lente gravitazionale "telescopio della natura". peculiare forma di messa a fuoco e ingrandimento che ci permette di studiare le galassie con un dettaglio molto maggiore di quanto potremmo normalmente fare, " Egli ha detto.

La luce della galassia scoperta era così fortemente ingrandita da un ammasso di altre galassie in primo piano che rivaleggiava con le immagini del cielo prese dallo spazio.

"Questo era un telescopio terrestre che prendeva i dati di questo arco assolutamente bellissimo, " disse Gourav Khullar, un dottorato di ricerca all'Università di Chicago candidato che ha servito come assistente didattico per il corso sul campo ed è il primo autore del documento che descrive i risultati. "È circa cento volte più luminoso delle immagini classiche di galassie simili distanti dal telescopio spaziale Hubble!"

Uno studio completo delle popolazioni stellari di questa galassia, intraprese dagli studenti collaboratori, concluso nella realizzazione che questa era la galassia con lenti più brillante mai osservata in questo periodo di tempo dell'universo primordiale.

Senza lenti gravitazionali, anche se, la lontana galassia sembrerebbe molto più fioca, se del tutto visibile.

"L'arco è stato ingrandito dalla lente intermedia in modo tale da risultare estremamente luminoso, " disse Khullar. "Ma una versione senza lenti della galassia non assomiglierebbe a questa; sarebbe molto più debole e per nulla rilevabile dalle attuali strutture a terra".

Superare la pandemia

Il corso sul campo è stato progettato per fornire ai laureati in astrofisica una vita reale, opportunità di ricerca all'avanguardia. Originariamente modesto nell'ambizione, Gladders ha convinto il dipartimento e il College a investire in un'esperienza sul campo completa, inclusa una visita ai Telescopi Magellano per partecipare all'osservazione astronomica durante le vacanze di primavera.

Ma la pandemia di coronavirus ha sventato quei piani, strappando via quella che doveva essere l'esperienza centrale della classe.

"Tutto era prenotato, " disse Gladders. "Avevo già organizzato viaggi in altri siti di osservazione, cantieri per vedere i telescopi che erano attualmente in costruzione, e vedere il Cile stesso."

In mezzo a tempi bui, gli studenti di COOL-LAMPS hanno proseguito con la scansione dei dati del cielo pubblico, alla fine raggiungendo la loro illuminante scoperta galattica.

"Per me, è stato uno shock aver trovato qualcosa di così importante, " ha detto Emily Sisco, un quarto anno di astrofisica che ha partecipato al corso di campo durante l'ultimo anno accademico. "Tutto il lavoro che stavamo facendo stava portando a quel momento, ma ero ancora scioccato!"

I primi risultati interessanti hanno incoraggiato la collaborazione COOL-LAMPS a perseguire il tempo di osservazione per una seconda ondata di studi. I piani sono fissati per osservare la galassia utilizzando telescopi terrestri nel New Mexico e in Europa, così come due dei telescopi spaziali orbitanti della NASA, Hubble e l'Osservatorio a raggi X Chandra.

"Con immagini ad alta risoluzione dallo spazio, gli astronomi potranno risolvere la struttura di questa galassia, " disse Ezra Sukay, che ha aderito alla collaborazione COOL-LAMPS come studente del terzo anno del Collegio. "Questo rivelerà dettagli sulla formazione stellare in galassie molto massicce all'inizio dell'universo".

Gladders si aspettava che la classe avesse successo in qualche modo, ma non prevedeva una galassia così eccezionalmente brillante, molto indietro nel tempo, o matura come ciò che è stato scoperto. "È semplicemente fantastico, ", ha detto. "Sono così orgoglioso di loro, hanno fatto davvero un ottimo lavoro".

A gennaio, Gladders inizierà a insegnare una seconda versione del corso sul campo, aggiungendo nuovi studenti a COOL-LAMPS che continueranno a sondare la formazione e l'evoluzione delle galassie nel tempo cosmico.

"Uno dei grandi obiettivi nello studio del cosmo è rispondere alla domanda fondamentale da dove veniamo, " disse Gladders. "Noi come specie, ma anche il pianeta in cui viviamo, il sistema solare in cui si trova il pianeta, e la galassia in cui si trova il nostro sistema solare.

"Stiamo affrontando questo profondo desiderio di capire da dove viene tutto e, in definitiva, come ci adattiamo?"

COOL-LAMPS è l'abbreviazione di ChicagO Lenti resistenti otticamente selezionate, situate ai margini dei sondaggi pubblici.