Alcuni hanno chiamato il telescopio spaziale James Webb della NASA il "telescopio che mangiava l'astronomia". È il telescopio spaziale più potente mai costruito e un complesso pezzo di origami meccanico che ha spinto i limiti dell'ingegneria umana. Il 18 dicembre 2021, dopo anni di ritardi e miliardi di dollari di sforamento dei costi, il telescopio dovrebbe essere lanciato in orbita e inaugurare la prossima era dell'astronomia.

Sono un astronomo specializzato in cosmologia osservativa:studio le galassie lontane da 30 anni. Alcune delle più grandi domande senza risposta sull'universo riguardano i suoi primi anni subito dopo il Big Bang. Quando si sono formate le prime stelle e galassie? Che è venuto prima, e perché? Sono incredibilmente entusiasta che gli astronomi possano presto scoprire la storia di come sono nate le galassie perché James Webb è stato costruito appositamente per rispondere a queste domande.

I "Secoli bui" dell'universo

Eccellenti prove mostrano che l'universo è iniziato con un evento chiamato Big Bang 13,8 miliardi di anni fa, che l'ha lasciata in un ambiente ultra-caldo, stato ultra-denso. L'universo iniziò immediatamente ad espandersi dopo il Big Bang, raffreddamento mentre lo faceva. Un secondo dopo il Big Bang, l'universo era largo un centinaio di trilioni di miglia con una temperatura media di un incredibile 18 miliardi di F (10 miliardi di C). Circa 400, 000 anni dopo il Big Bang, l'universo aveva un diametro di 10 milioni di anni luce e la temperatura si era raffreddata a 5, 500 F (3, 000 C). Se qualcuno fosse stato lì a vederlo a questo punto, l'universo avrebbe brillato di un rosso opaco come una gigantesca lampada termica.

Per tutto questo tempo, lo spazio era riempito con una zuppa liscia di particelle ad alta energia, radiazione, idrogeno ed elio. Non c'era nessuna struttura. Mentre l'universo in espansione diventava più grande e più freddo, la zuppa si è diluita e tutto è diventato nero. Questo fu l'inizio di ciò che gli astronomi chiamano i secoli bui dell'universo.

La zuppa dei secoli bui non era perfettamente uniforme e per gravità, minuscole aree di gas cominciarono ad ammassarsi ea diventare più dense. L'universo liscio è diventato grumoso e questi piccoli grumi di gas più denso erano semi per l'eventuale formazione di stelle, galassie e tutto il resto nell'universo.

Anche se non c'era niente da vedere, i secoli bui furono una fase importante nell'evoluzione dell'universo.

Alla ricerca della prima luce

Il Medioevo terminò quando la gravità formò le prime stelle e galassie che alla fine iniziarono a emettere la prima luce. Sebbene gli astronomi non sappiano quando è avvenuta la prima luce, l'ipotesi migliore è che siano trascorse diverse centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Gli astronomi non sanno nemmeno se si siano formate prima le stelle o le galassie.

Le teorie attuali basate su come la gravità forma la struttura in un universo dominato dalla materia oscura suggeriscono che piccoli oggetti, come stelle e ammassi stellari, si siano formati prima e poi siano cresciuti in galassie nane e poi in galassie più grandi come la Via Lattea. Queste prime stelle nell'universo erano oggetti estremi rispetto alle stelle di oggi. Erano un milione di volte più brillanti, ma vivevano vite molto brevi. Bruciarono caldi e luminosi e quando morirono, hanno lasciato buchi neri fino a cento volte la massa del Sole, che potrebbero aver agito come semi per la formazione delle galassie.

Gli astronomi adorerebbero studiare questa affascinante e importante era dell'universo, ma rilevare la prima luce è incredibilmente impegnativo. Rispetto al massiccio, galassie luminose di oggi, i primi oggetti erano molto piccoli e a causa della costante espansione dell'universo, ora sono a decine di miliardi di anni luce dalla Terra. Anche, le prime stelle erano circondate dal gas rimasto dalla loro formazione e questo gas agiva come nebbia che assorbiva la maggior parte della luce. Ci sono volute diverse centinaia di milioni di anni perché le radiazioni spazzassero via la nebbia. Questa prima luce è molto debole quando arriva sulla Terra.

Ma questa non è l'unica sfida.

Mentre l'universo si espande, allunga continuamente la lunghezza d'onda della luce che lo attraversa. Questo è chiamato redshift perché sposta la luce di lunghezze d'onda più corte, come la luce blu o bianca, a lunghezze d'onda più lunghe come la luce rossa o infrarossa. Sebbene non sia un'analogia perfetta, è simile a quando un'auto ti passa davanti, il tono di tutti i suoni che sta producendo diminuisce notevolmente.

Quando la luce emessa da una prima stella o galassia 13 miliardi di anni fa raggiunge qualsiasi telescopio sulla Terra, è stato allungato di un fattore 10 dall'espansione dell'universo. Arriva come luce infrarossa, il che significa che ha una lunghezza d'onda più lunga di quella della luce rossa. Per vedere la prima luce, devi cercare la luce a infrarossi.

Il telescopio come macchina del tempo

Entra nel telescopio spaziale James Webb.

I telescopi sono come macchine del tempo. Se un oggetto è 10, 000 anni luce di distanza, ciò significa che la luce impiega 10, 000 anni per raggiungere la Terra. Quindi più lontano nello spazio gli astronomi guardano, più indietro nel tempo stiamo cercando.

Gli ingegneri hanno ottimizzato James Webb per rilevare in modo specifico la debole luce infrarossa delle prime stelle o galassie. Rispetto al telescopio spaziale Hubble, James Webb ha un campo visivo 15 volte più ampio sulla sua fotocamera, raccoglie sei volte più luce e i suoi sensori sono sintonizzati per essere più sensibili alla luce infrarossa.

La strategia sarà quella di fissare a lungo un pezzo di cielo in profondità, raccogliendo quanta più luce e informazioni possibile dalle galassie più lontane e antiche. Con questi dati, potrebbe essere possibile rispondere quando e come finirono i secoli bui, ma ci sono molte altre importanti scoperte da fare. Per esempio, svelare questa storia può anche aiutare a spiegare la natura della materia oscura, la misteriosa forma della materia che costituisce circa l'80% della massa dell'universo.

James Webb è la missione tecnicamente più difficile che la NASA abbia mai tentato. Ma penso che le domande scientifiche a cui può aiutare a rispondere varranno ogni grammo di sforzo. Io e altri astronomi stiamo aspettando con ansia che i dati inizino a tornare nel 2022.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.