Gli astronomi stanno attualmente godendo di un periodo fruttuoso di scoperte, indagando i molti misteri dell’universo primordiale. Il successo del lancio del telescopio spaziale James Webb (JWST), successore del telescopio spaziale Hubble della NASA, ha spinto il limite di ciò che possiamo vedere.
Le osservazioni stanno ora entrando nei primi 500 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo aveva meno del 5% della sua età attuale. Per gli esseri umani, questa volta l'universo si troverebbe saldamente nella fase infantile.
Tuttavia, le galassie che stiamo osservando non sono certamente infantili, con nuove osservazioni che rivelano galassie più massicce e mature di quanto precedentemente previsto per tempi così precoci, contribuendo a riscrivere la nostra comprensione della formazione e dell'evoluzione delle galassie.
Il nostro team di ricerca internazionale ha recentemente effettuato osservazioni dettagliate senza precedenti di una delle prime galassie conosciute, soprannominata Gz9p3, e ora pubblicate su Nature Astronomy .
Il suo nome deriva dalla collaborazione Glass (il nome del nostro gruppo di ricerca internazionale) e dal fatto che la galassia ha uno spostamento verso il rosso di z=9,3, dove lo spostamento verso il rosso è un modo per descrivere la distanza da un oggetto, quindi G e z9p3.
Solo un paio di anni fa, Gz9p3 appariva come un singolo punto luminoso attraverso il telescopio spaziale Hubble. Ma utilizzando il telescopio spaziale James Webb abbiamo potuto osservare questo oggetto com'era 510 milioni di anni dopo il Big Bang, circa 13 miliardi di anni fa.
Abbiamo scoperto che Gz9p3 era molto più massiccio e maturo del previsto per un universo così giovane, contenente già diversi miliardi di stelle.
Di gran lunga l'oggetto più massiccio confermato da questo periodo, è stato calcolato come 10 volte più massiccio di qualsiasi altra galassia trovata così presto nell'universo.
Insieme, questi risultati suggeriscono che affinché la galassia raggiunga queste dimensioni, le stelle devono essersi sviluppate molto più velocemente e in modo più efficiente di quanto pensassimo inizialmente.
La fusione delle galassie più distanti nell'universo primordiale
Non solo questo Gz9p3 è massiccio, ma la sua forma complessa lo identifica immediatamente come una delle prime fusioni galattiche mai viste.
L'immagine JWST della galassia mostra una morfologia tipicamente associata a due galassie interagenti. E la fusione non è terminata perché vediamo ancora due componenti.
Quando due oggetti massicci si uniscono in questo modo, di fatto eliminano parte della materia nel processo. Quindi, questa materia scartata suggerisce che quella che abbiamo osservato è una delle fusioni più distanti mai viste.
Successivamente, il nostro studio è andato più in profondità, per descrivere la popolazione di stelle che compongono le galassie in fusione. Utilizzando JWST, siamo stati in grado di esaminare lo spettro della galassia, dividendo la luce nello stesso modo in cui un prisma divide la luce bianca in un arcobaleno.
Quando si utilizza solo l'imaging, la maggior parte degli studi su questi oggetti molto distanti mostrano solo stelle molto giovani perché le stelle più giovani sono più luminose e quindi la loro luce domina i dati di imaging.
Ad esempio, una popolazione giovane e brillante, nata dalla fusione delle galassie, che ha meno di qualche milione di anni, supera una popolazione più anziana che ha già più di 100 milioni di anni.
Utilizzando la tecnica della spettroscopia possiamo produrre osservazioni così dettagliate da poter distinguere le due popolazioni.
Nuovi modelli dell'universo primordiale
Una popolazione così matura e anziana non era prevista considerando il modo in cui le prime stelle avrebbero dovuto formarsi per invecchiare sufficientemente entro questo periodo cosmico. La spettroscopia è così dettagliata che possiamo vedere le caratteristiche sottili delle vecchie stelle che ci dicono che c'è più di quanto pensi.
Elementi specifici rilevati nello spettro (inclusi silicio, carbonio e ferro) rivelano che questa popolazione più antica deve esistere per arricchire la galassia con un'abbondanza di sostanze chimiche.
Non è solo la dimensione delle galassie a sorprendere, ma anche la velocità con cui sono cresciute fino a raggiungere uno stato così maturo dal punto di vista chimico.
Queste osservazioni forniscono la prova di un accumulo rapido ed efficiente di stelle e metalli nel periodo immediatamente successivo al Big Bang, legato alle fusioni di galassie in corso, dimostrando che galassie massicce con diversi miliardi di stelle esistevano prima del previsto.
Le galassie isolate costruiscono la loro popolazione di stelle in situ a partire dalle loro limitate riserve di gas, tuttavia, questo può essere un modo lento per le galassie di crescere.
Le interazioni tra le galassie possono attirare nuovi afflussi di gas incontaminato, fornendo carburante per una rapida formazione stellare, mentre le fusioni forniscono un canale ancora più accelerato per l'accumulo e la crescita della massa.
Le galassie più grandi del nostro universo moderno portano tutte una storia di fusioni, inclusa la nostra Via Lattea che è cresciuta fino alle dimensioni attuali attraverso successive fusioni con galassie più piccole.
Queste osservazioni di Gz9p3 mostrano che le galassie erano in grado di accumulare massa rapidamente nell'universo primordiale attraverso fusioni, con efficienze di formazione stellare superiori a quanto ci aspettassimo.
Questa e altre osservazioni effettuate utilizzando il JWST stanno spingendo gli astrofisici a modificare i loro modelli dei primi anni dell'universo.
La nostra cosmologia non è necessariamente sbagliata, ma probabilmente lo è la nostra comprensione della velocità con cui si sono formate le galassie, perché sono più massicce di quanto avessimo mai creduto possibile.
Questi nuovi risultati arrivano al momento giusto mentre ci avviciniamo al traguardo dei due anni per le osservazioni scientifiche effettuate utilizzando il JWST.
Man mano che il numero totale di galassie osservate aumenta, gli astronomi che studiano l'universo primordiale stanno passando dalla fase di scoperta a un periodo in cui disponiamo di campioni sufficientemente grandi per iniziare a costruire e perfezionare nuovi modelli.
Non c'è mai stato un momento più emozionante per dare un senso ai misteri dell'universo primordiale.
Ulteriori informazioni: Kristan Boyett et al, Una massiccia galassia interagente 510 milioni di anni dopo il Big Bang, Astronomia naturale (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02218-7
Fornito dall'Università di Melbourne
