Il Telescopio Spaziale James Webb sta potenzialmente registrando un nuovo traguardo nel panorama dell’astronomia — se i risultati verranno confermati, questa pionieristica navetta spaziale potrebbe aver osservato le galassie più remote nell’universo. I cinque candidati galattici sono situati così lontano che il più distante si osserva come appariva solo 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Pertanto, la luce di queste galassie ha viaggiato verso la Terra per circa 13,6 miliardi di anni. A causa dell’espansione dell’universo, si stima che queste galassie siano ora a un’incredibile distanza di 34 miliardi di anni luce. Tuttavia, è importante sottolineare che nulla di quanto affermato è ancora confermato. Prima di questa scoperta, realizzata nell’ambito del progetto GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire) del Telescopio Spaziale James Webb (JWST), la galassia più lontana osservata era JADES-GS-z14-0, osservata quando l’universo aveva circa 280 milioni di anni. Queste nuove galassie verranno ufficialmente nominate una volta confermate, ma probabilmente porteranno tutte il prefisso “GLIMPSE” in riferimento al sondaggio che le ha scoperte. Potrebbero rappresentare le galassie più antiche mai esistite, secondo i modelli attuali sull’evoluzione dell’universo. “Stimare l’età esatta di queste galassie e determinare quando si sono formate è piuttosto complesso, ma ci stiamo avvicinando alla prima generazione di galassie, dato che ci rimangono solo circa 150 milioni di anni per la loro formazione,” ha dichiarato un membro del team di scoperta, un ricercatore dell’Istituto di Astrofisica di Parigi, a Space.com. “Con così poco tempo a disposizione, ci sono poche possibilità di formare galassie. In definitiva, queste osservazioni imporranno vincoli rigorosi sui processi fisici consentiti nei nostri modelli dell’universo.”
Osservare il rosso con l’aiuto di Einstein
Le prime galassie, come questi cinque nuovi candidati, sono descritte come galassie “ad alto redshift” o “ad alto z”. Questo accade perché l’espansione dell’universo provoca un allungamento delle lunghezze d’onda della luce emessa da queste galassie durante il viaggio fino a noi. Poiché lunghezze d’onda maggiori (più allungate) vengono trovate all’estremità “rossa” dello spettro elettromagnetico, questo processo viene definito redshift. Notizie sorprendenti dallo spazio, gli ultimi aggiornamenti sui lanci di razzi, eventi di osservazione del cielo e molto altro! Maggiore è il tempo che la luce impiega per raggiungerci, più estremo è il redshift che subisce. Il valore del redshift di una galassia è indicato con “z” seguito da un segno di uguale e poi da un numero privo di unità.
Secondo l’Osservatorio Las Cumbres, un redshift di z = 0.10 corrisponde a una luce che ha viaggiato verso la Terra per 1,3 miliardi di anni ed è ora a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Un redshift di z = 1 corrisponde a una luce che ha viaggiato per 7,7 miliardi di anni e, come risultato dell’espansione dell’universo, si trova ora a 10,1 miliardi di anni luce di distanza. Un redshift di 10 corrisponde a un corpo emittente a circa 26,6 miliardi di anni luce da noi con una luce che ha viaggiato per 13,2 miliardi di anni. I cinque candidati galattici identificati dal JWST come parte del progetto GLIMPSE potrebbero rivelarsi le galassie più antiche e distanti mai osservate. (Crediti immagine: Kokorev et al 2024)
Il JWST sta ora scoprendo routine galassie con redshift compresi tra z = 10 e z = 14. Come accennato sopra, la galassia più antica confermata, JADES-GS-z14-0, ha un redshift di z = 14.2. Tuttavia, questi cinque nuovi potenziali oggetti hanno redshift compresi tra z = 16 e z = 18. Il leader del team, Vasily Kokorev, dell’Università del Texas, ha spiegato a Space.com che il ritrovamento di queste galassie continua la tendenza del JWST di scoprire un numero maggiore di galassie ad alta luminosità densamente raggruppate nell’universo primordiale a redshift elevati rispetto a quanto era stato previsto prima che il telescopio da 10 miliardi di dollari iniziasse a inviare dati sulla Terra nell’estate del 2022. “Trovare così tante galassie ad alto z nello stesso campo significa che le loro densità numeriche sono più alte di quanto ci aspettassimo,” ha dichiarato Kokorev. “Gli oggetti trovati si inseriscono anche nel nuovo paradigma di sovrabbondanza di galassie luminose ad alto-z. Queste potrebbero anche essere alcune delle galassie più giovani mai osservate finora.”
Il cluster di galassie Abell S1063, osservato dal Telescopio Spaziale Hubble della NASA/ESA durante il programma Frontier Fields. (Crediti immagine: M. Montes(Università del New South Wales)/NASA/ESA) La scoperta di queste cinque galassie candidate è stata possibile perché le osservazioni di GLIMPSE sono le più profonde mai ottenute nel cielo. I risultati, i primi del progetto GLIMPSE, hanno ricevuto un aiuto dal cluster di galassie Abell S1063, situato a circa 4 miliardi di anni luce di distanza. Quel cluster è stato in grado di aiutare grazie a un fenomeno previsto per la prima volta da Albert Einstein nel 1915, noto come “lensing gravitazionale”. Nel 1915, Einstein avanzò la sua teoria della gravità, nota come “relatività generale”. Questa teoria suggerisce che la gravità deriva da oggetti con massa che deformano la trama dello spazio e del tempo (uniti come un’entità 4-dimensionale chiamata “spazio-tempo”). Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore sarà il “segno” che crea nello spazio-tempo, aumentando così la sua influenza gravitazionale.
Quando la luce di un oggetto passa attraverso una curvatura estesa dello spazio-tempo causata da qualcosa di veramente massiccio durante il suo viaggio verso i nostri rivelatori sulla Terra, come un cluster di galassie, anche il suo percorso viene curvato. Più la luce passa vicino a questo corpo lensante, più estrema sarà la sua curvatura. Ciò significa che, seguendo percorsi diversi attorno a una lente gravitazionale, le cinque galassie GLIMPSE possono arrivare a un telescopio come il JWST, che si trova nel nostro angolo di cosmos, in momenti diversi. Questo effetto è chiamato lensing gravitazionale perché può amplificare l’aspetto dell’oggetto sullo sfondo. Il JWST ha utilizzato questo fenomeno in modo efficace per rilevare galassie primordiali lontane che sarebbero troppo deboli per essere osservate senza lensing gravitazionale. In questo caso, il cluster Abell S1063 è stato la lente gravitazionale utilizzata dal team GLIMPSE.
Un diagramma illustra come la deformazione dello spazio-tempo da parte di un oggetto di considerevole massa porti a lensing gravitazionale (Crediti immagine: NASA, ESA & L. Calçada) Anche con il telescopio spaziale più potente mai costruito e un potente fenomeno cosmico, queste galassie erano ancora troppo deboli per essere osservate con sufficiente dettaglio per identificarne le caratteristiche. “Per esplorare a fondo la loro natura sarebbero necessari spettroscopi. Al momento, sappiamo che questi oggetti sono intrinsecamente piuttosto deboli, specialmente rispetto alle scoperte più recenti del JWST a alto-z,” ha dichiarato Kokorev. “Questa debolezza, combinata con quanti ne scopriamo in un volume così ridotto, potrebbero avere alcune interessanti implicazioni sull’emergere delle prime galassie nell’universo.” Per Atek, uno degli aspetti più affascinanti di questa scoperta è che queste galassie evolveranno diventando simili alle galassie inusualmente luminose che il JWST stava osservando quando il cosmo aveva tra i 300 e i 400 milioni di anni.
Per quanto riguarda la possibilità che il JWST possa scoprire galassie ancora più antiche di questi cinque candidati, Atek non è sicuro che sia possibile. “Il JWST ha il potenziale di scoprire galassie ancora più antiche, ma ciò dipende dalla loro quantità, densità e luminosità, che sono legate a come si è svolta la formazione delle galassie,” ha continuato Atek. “Stiamo entrando in un territorio completamente inesplorato e non possiamo sapere con certezza cosa troveremo. Molte di queste sorgenti dovrebbero essere così deboli che la conferma spettroscopica, anche con il JWST, sarà estremamente impegnativa o impraticabile.” Anche se ci fossero state galassie più antiche nell’universo primordiale da scoprire, è possibile che anche uno strumento potente come il JWST — utilizzando uno strumento magico come il lensing gravitazionale — non possa individuarle.
Kokorev ha evidenziato che rilevare galassie più antiche e deboli potrebbe richiedere 450 ore di tempo di osservazione con il JWST (il progetto GLIMPSE ha avuto soltanto 150 ore), e il ricercatore pensa che questo non sia molto probabile accada a breve. “Quindi, in teoria, sì, si possono ancora trovare galassie più antiche e lontane; tuttavia, queste sarebbero ancora più deboli e piccole, rendendole estremamente difficili da rilevare,” ha affermato Kokorev. “Il programma GLIMPSE ha già spinto il telescopio ai suoi limiti.” Nonostante ciò, ci sono indubbiamente ancora risultati entusiasmanti da attendere dal GLIMPSE. “Questo è solo il primo articolo di molti altri in arrivo, quindi tenete d’occhio per ulteriori scoperte scientifiche di GLIMPSE,” ha concluso Kokorev. “Siamo molto entusiasti dei dati e di tutta l’emozionante scienza che forniranno!” La ricerca del team è stata pubblicata in forma di preprint nel repository di lavori arXiv.