Utilizzando le capacità senza precedenti del telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA, un team internazionale di scienziati ha ottenuto le prime osservazioni spettroscopiche delle galassie più deboli durante il primo miliardo di anni dell'universo. Questi risultati, pubblicati sulla rivista Nature , aiutano a rispondere a una domanda di vecchia data per gli astronomi:quali fonti hanno causato la reionizzazione dell'universo? Questi nuovi risultati hanno effettivamente dimostrato che le piccole galassie nane sono i probabili produttori di quantità prodigiose di radiazione energetica.
La ricerca sull’evoluzione dell’universo primordiale è un aspetto importante dell’astronomia moderna. Resta ancora molto da capire riguardo al periodo della storia primordiale dell'universo conosciuto come l'era della reionizzazione.
Fu un periodo di oscurità senza stelle o galassie, pieno di una fitta nebbia di gas idrogeno finché le prime stelle ionizzarono il gas attorno a loro e la luce cominciò a viaggiare attraverso. Gli astronomi hanno trascorso decenni cercando di identificare le fonti che emettevano radiazioni abbastanza potenti da eliminare gradualmente questa nebbia di idrogeno che ricopriva l'universo primordiale.
Il programma Ultradeep NIRSpec e NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER) (#2561) consiste in osservazioni sia di imaging che spettroscopiche dell'ammasso di lente Abell 2744. Un team internazionale di astronomi ha utilizzato la lente gravitazionale su questo bersaglio, noto anche come ammasso di Pandora , per indagare sulle origini del periodo di reionizzazione dell'universo.
La lente gravitazionale ingrandisce e distorce l'aspetto delle galassie distanti, quindi appaiono molto diverse da quelle in primo piano. La "lente" dell'ammasso di galassie è così massiccia da deformare il tessuto dello spazio stesso, al punto che anche la luce proveniente da galassie lontane che attraversa lo spazio deformato assume un aspetto deformato.
L'effetto di ingrandimento ha permesso al team di studiare fonti di luce molto distanti oltre Abell 2744, rivelando otto galassie estremamente deboli che altrimenti non sarebbero rilevabili, nemmeno per Webb.
Il team ha scoperto che queste deboli galassie sono immense produttrici di radiazioni ionizzanti, a livelli quattro volte più grandi di quanto precedentemente ipotizzato. Ciò significa che la maggior parte dei fotoni che hanno reionizzato l'universo probabilmente provenivano da queste galassie nane.
"Questa scoperta svela il ruolo cruciale svolto dalle galassie ultra-deboli nell'evoluzione primordiale dell'universo", ha affermato Iryna Chemerynska, membro del team dell'Institut d'Astrophisique de Paris in Francia. "Producono fotoni ionizzanti che trasformano l'idrogeno neutro in plasma ionizzato durante la reionizzazione cosmica. Ciò evidenzia l'importanza di comprendere le galassie di piccola massa nel plasmare la storia dell'universo."
“Queste centrali cosmiche emettono collettivamente energia più che sufficiente per portare a termine il lavoro”, ha aggiunto il leader del team Hakim Atek, Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, Sorbona Université, Francia, e autore principale dell’articolo che descrive questo risultato. "Nonostante le loro piccole dimensioni, queste galassie di piccola massa sono produttrici prolifiche di radiazioni energetiche, e la loro abbondanza durante questo periodo è così sostanziale che la loro influenza collettiva può trasformare l'intero stato dell'universo."
Per arrivare a questa conclusione, il team ha prima combinato i dati di imaging Webb ultra-profondo con le immagini ausiliarie di Abell 2744 ottenute dal telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, al fine di selezionare galassie estremamente deboli candidate nell’epoca della reionizzazione. Questa è stata seguita dalla spettroscopia con lo spettrografo del vicino infrarosso di Webb (NIRSpec). Il gruppo Multi-Shutter dello strumento è stato utilizzato per ottenere la spettroscopia multi-oggetto di queste deboli galassie.
Questa è la prima volta che gli scienziati misurano in modo approfondito la densità numerica di queste deboli galassie e hanno confermato con successo che si tratta della popolazione più abbondante durante l’epoca della reionizzazione. Ciò segna anche la prima volta che il potere ionizzante di queste galassie è stato misurato, consentendo agli astronomi di determinare che stanno producendo radiazioni energetiche sufficienti per ionizzare l'universo primordiale.
"L'incredibile sensibilità di NIRSpec combinata con l'amplificazione gravitazionale fornita da Abell 2744 ci ha permesso di identificare e studiare in dettaglio queste galassie risalenti al primo miliardo di anni dell'universo, nonostante siano oltre 100 volte più deboli della nostra Via Lattea", ha continuato Atek .
In un prossimo programma di osservazione Webb, chiamato GLIMPSE, gli scienziati otterranno le osservazioni più profonde mai effettuate sul cielo. Prendendo di mira un altro ammasso di galassie, denominato Abell S1063, verranno identificate anche le galassie più deboli durante l'epoca della reionizzazione per verificare se questa popolazione è rappresentativa della distribuzione su larga scala delle galassie.
Poiché questi nuovi risultati si basano su osservazioni ottenute in un campo, il team osserva che le proprietà ionizzanti delle galassie deboli possono apparire in modo diverso se risiedono in regioni eccessivamente dense. Ulteriori osservazioni in un campo indipendente forniranno quindi ulteriori spunti per aiutare a verificare queste conclusioni.
Le osservazioni di GLIMPSE aiuteranno inoltre gli astronomi a sondare il periodo noto come Alba Cosmica, quando l'universo aveva solo pochi milioni di anni, per sviluppare la nostra comprensione dell'emergere delle prime galassie.
Questi risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Nature .
Ulteriori informazioni: Hakim Atek, La maggior parte dei fotoni che hanno reionizzato l'Universo provengono da galassie nane, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07043-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07043-6
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