Per lungo tempo, gli astronomi hanno sostenuto che la formazione delle galassie seguisse un modello rigoroso: il gas cosmico si accumula in grumi, da questi grumi nascono le stelle e, nel corso di miliardi di anni, i vicini stellari aumentano gradualmente di dimensioni. Tuttavia, il Telescopio Spaziale James Webb, lanciato nel dicembre 2021, ha messo in discussione tale modello. In un nuovo studio, è stata identificata una sorprendente scoperta con tre galassie massicce — definite “Mostri Rossi” — ciascuna delle quali ha dimensioni simili alla Via Lattea, già esistenti appena un miliardo di anni dopo il Big Bang. Anche se questo potrebbe sembrare un periodo lungo, nel nostro universo di 14 miliardi di anni, un miliardo è relativamente presto. Queste galassie sollevano quindi una questione fondamentale: come hanno potuto crescere così grandi, così rapidamente? Quando gli astronomi hanno inizialmente esaminato l’universo primordiale utilizzando il Telescopio Webb, si aspettavano di trovare galassie non pienamente sviluppate, eppure sono rimasti sorpresi nel scoprire galassie non solo completamente formate, ma anche di notevoli dimensioni. Questa “crisi in cosmologia” ha suggerito la necessità di rivedere la nostra comprensione dell’evoluzione dell’universo dal Big Bang. Tuttavia, vi è stata una complicazione nella storia.

A agosto, i ricercatori hanno scoperto che queste galassie possono apparire più grandi e luminose a causa della presenza di buchi neri attivi, portando alla conclusione che le galassie “massicce” siano in realtà meno massicce di quanto si pensasse in precedenza. Curiosamente, questo nuovo studio non ha rivelato evidenze di ciò che sono conosciuti come “nuclei galattici attivi (AGN)” in queste galassie, escludendo quindi la possibilità che le loro intense emissioni provengano da buchi neri supermassivi al loro interno. Pertanto, il team ha concluso che le caratteristiche estreme di queste galassie — elevata massa e rapida formazione stellare — sono intrinseche alle galassie stesse e non guidate da un nucleo attivo. Come potrebbe essere?

Lo studio è stato condotto da un team internazionale presso l’Università di Ginevra (UNIGE) utilizzando i dati del sondaggio FRESCO del JWST. Si è concentrato su galassie con valori di redshift compresi tra z = 5 e z = 9, quando l’universo aveva solo da 1 a 1,5 miliardi di anni. Il redshift misura quanto le lunghezze d’onda della luce provenienti da oggetti lontani si allungano nel loro viaggio verso i nostri rivelatori a causa dell’espansione dell’universo, con valori più elevati che indicano maggiore distanza e età. Il team ha impiegato il spettrografo a grism della Near Infrared Camera (NIRCam) di FRESCO per misurare le distanze e le masse stellari delle galassie. “Lo strumento a bordo del telescopio spaziale ci consente di identificare e studiare la crescita delle galassie nel tempo, fornendo un quadro più chiaro di come si accumula la massa stellare nel corso della storia cosmica”, ha dichiarato un esperto dell’UNIGE.

Le analisi del team si sono concentrate su 36 galassie massicce, polverose e in formazione stellare, selezionate per il loro colore rosso distintivo e le linee di emissione prominenti, che indicano che sono massicce e significativamente oscurate dalla polvere. Mentre la maggior parte delle galassie si adattava ai modelli teorici di formazione delle galassie, tre sono state catalogate come “ultramassicce” e avevano tassi di formazione stellare insolitamente elevati. I tre Mostri Rossi appaiono rossi nelle immagini del JWST a causa del loro elevato contenuto di polvere, che consente loro di assorbire le lunghezze d’onda più corte della luce e diffondere la luce rimanente in lunghezze d’onda più lunghe e rossastre. Il JWST può osservarle così chiaramente perché cattura la luce infrarosso, permettendo agli scienziati di vedere oltre la polvere, a differenza del Telescopio Spaziale Hubble, che è limitato alla luce ottica. Questa capacità di vedere attraverso la polvere cosmica è uno dei motivi per cui il JWST ha rivoluzionato la nostra visione dell’universo.

Ritornando a quei Mostri Rossi, i nuovi dati del JWST mostrano che queste galassie producono stelle con efficienza superiore di due o tre volte rispetto alle galassie nell’universo successivo. Le masse stellari di queste tre galassie sono così grandi che richiedono un’efficienza di conversione della massa stellare di circa il 50%, superiore all’efficienza tipica osservata nelle galassie odierne. Ad esempio, la maggior parte delle galassie in tempi successivi converte solo circa il 20% del gas disponibile in stelle. Queste scoperte suggeriscono che l’universo primordiale potrebbe aver presentato condizioni diverse che hanno permesso una crescita delle galassie molto più rapida ed efficiente. “La nostra ricerca sta trasformando la nostra comprensione della formazione delle galassie nel primo universo”, evidenzia uno degli scienziati coinvolti.

Le esatte cause di questa crescita accelerata rimangono un mistero — potrebbero essere legate a fattori come gas più abbondante, tassi di raffreddamento del gas più rapidi, o altre condizioni che non sono ancora comprese. Le osservazioni future con il JWST e l’Atacama Large Millimeter Array (ALMA) forniranno approfondimenti più dettagliati su questi ultra-massicci “Mostri Rossi” e forniranno campioni più ampi di queste sorgenti. “Man mano che studiamo queste galassie in modo più approfondito, offriranno nuovi spunti sulle condizioni che hanno modellato le epoche più antiche dell’universo. I ‘Mostri Rossi’ sono solo l’inizio di una nuova era nella nostra esplorazione dell’universo primordiale”, hanno concluso i ricercatori. Lo studio è stato pubblicato il 13 novembre sulla rivista Nature.