Utilizzando l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), gli astronomi hanno scoperto una piccola galassia rotante 1/100 della dimensione della Via Lattea in un momento in cui l'universo aveva solo il 7% della sua età attuale. Grazie all'ausilio dell'effetto lente gravitazionale, il team è stato in grado di esplorare per la prima volta la natura delle piccole e oscure "galassie normali" nell'universo primordiale, rappresentativo della popolazione principale delle prime galassie, che fa avanzare notevolmente la nostra comprensione della fase iniziale dell'evoluzione delle galassie.

"Molte delle galassie che esistevano nell'universo primordiale erano così piccole che la loro luminosità è ben al di sotto del limite degli attuali più grandi telescopi sulla Terra e nello Spazio, rendendo difficile studiarne le proprietà e la struttura interna, "dice Nicolas Laporte, un Kavli Senior Fellow presso l'Università di Cambridge. "Però, la luce proveniente dalla galassia denominata RXCJ0600-z6, è stato fortemente ingrandito dalla lente gravitazionale, rendendolo un obiettivo ideale per studiare le proprietà e la struttura di un tipico bambino di galassie."

La lente gravitazionale è un fenomeno naturale in cui la luce emessa da un oggetto distante viene piegata dalla gravità di un corpo massiccio come una galassia o un ammasso di galassie situato in primo piano. Il nome "lente gravitazionale" deriva dal fatto che la gravità dell'oggetto massiccio agisce come una lente. Quando guardiamo attraverso una lente gravitazionale, la luce degli oggetti lontani si intensifica e le loro forme si allungano. In altre parole, è un "telescopio naturale" che fluttua nello spazio.

Il team di ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) ha utilizzato ALMA per cercare un gran numero di galassie nell'universo primordiale ingrandite dalla lente gravitazionale. Unendo la potenza di ALMA, con l'aiuto dei telescopi naturali, i ricercatori sono in grado di scoprire e studiare le galassie più deboli.

Perché è fondamentale esplorare le galassie più deboli dell'universo primordiale? La teoria e le simulazioni prevedono che la maggior parte delle galassie formatesi poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang sono piccole, e quindi debole. Sebbene siano state precedentemente osservate diverse galassie nell'universo primordiale, quelli studiati erano limitati agli oggetti più massicci, e quindi le galassie meno rappresentative nell'universo primordiale, a causa delle capacità del telescopio. L'unico modo per capire la formazione standard delle prime galassie, e ottenere un quadro completo della formazione delle galassie, è concentrarsi sulle galassie più deboli e più numerose.

Il team ALCS ha eseguito un programma di osservazione su larga scala che ha richiesto 95 ore, che è un tempo molto lungo per le osservazioni di ALMA, osservare le regioni centrali di 33 ammassi di galassie che potrebbero causare lenti gravitazionali. Uno di questi cluster, chiamato RXCJ0600-2007, si trova in direzione della costellazione di Lepus, e ha una massa 1000 trilioni di volte quella del Sole. Il team ha scoperto una singola galassia lontana che è stata colpita dalla lente gravitazionale creata da questo telescopio naturale. ALMA ha rilevato la luce degli ioni carbonio e della polvere di stelle nella galassia, e insieme ai dati presi con il telescopio Gemini, ha determinato che la galassia è vista com'era circa 900 milioni di anni dopo il Big Bang (12,9 miliardi di anni fa). Un'ulteriore analisi di questi dati ha suggerito che una parte di questa fonte è vista 160 volte più luminosa di quanto non sia intrinsecamente.

Misurando con precisione la distribuzione di massa dell'ammasso di galassie, è possibile "annullare" l'effetto lente gravitazionale e ripristinare l'aspetto originale dell'oggetto ingrandito. Combinando i dati del telescopio spaziale Hubble e del Very Large Telescope dell'Osservatorio europeo meridionale con un modello teorico, il team è riuscito a ricostruire la forma attuale della lontana galassia RXCJ0600-z6. La massa totale di questa galassia è da 2 a 3 miliardi di volte quella del Sole, che è circa 1/100 della dimensione della nostra Via Lattea.

Ciò che ha stupito il team è che RXCJ0600-z6 sta ruotando. Tradizionalmente, si pensava che il gas nelle giovani galassie avesse movimento caotico. Solo di recente ALMA ha scoperto diverse giovani galassie rotanti che hanno sfidato il tradizionale quadro teorico, ma questi erano diversi ordini di grandezza più luminosi (più grandi) di RXCJ0600-z6.

"Il nostro studio dimostra, per la prima volta, che possiamo misurare direttamente il movimento interno di tali galassie deboli (meno massicce) nell'Universo primordiale e confrontarlo con le previsioni teoriche", dice Kotaro Kohno, un professore all'Università di Tokyo e il leader del team ALCS.

"Il fatto che RXCJ0600-z6 abbia un fattore di ingrandimento molto elevato aumenta anche le aspettative per la ricerca futura, " spiega Seiji Fujimoto, un borsista DAWN presso l'Istituto Niels Bohr. "Questa galassia è stata selezionata, tra centinaia, da osservare dal James Webb Space Telescope (JWST), il telescopio spaziale di nuova generazione che sarà lanciato questo autunno. Attraverso osservazioni congiunte utilizzando ALMA e JWST, sveleremo le proprietà del gas e delle stelle in una piccola galassia e i suoi moti interni. Quando il telescopio da trenta metri e il telescopio estremamente grande saranno completati, potrebbero essere in grado di rilevare ammassi di stelle nella galassia, e forse anche risolvere singole stelle. C'è un esempio di lente gravitazionale che è stata usata per osservare una singola stella a 9,5 miliardi di anni luce di distanza, e questa ricerca ha il potenziale per estenderlo a meno di un miliardo di anni dopo la nascita dell'Universo".

Questi risultati di osservazione sono stati presentati in Seiji Fujimoto et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:Bright [CII] 158 μm Lines from a Multiply Imaged Sub-L* Galaxy at z =6.0719" nel Giornale Astrofisico il 22 aprile 2021, e Nicolas Laporte et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:un sistema polveroso a immagini multiple con forti lenti a z> 6" in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society il 22 aprile 2021.