COINVOLTI NEL PROGRAMMA RICERCATORI INAF, UNIPD E SISSA

Risolvere stelle per studiare popolazioni con Jwst

Uno dei primi programmi di osservazioni che condurrà il telescopio spaziale James Webb, il cui lancio è previsto per l'autunno, prevede lo studio di popolazioni stellari in galassie del Gruppo locale per mettere alla prova l'innovativo osservatorio sull'universo a noi vicino. Il programma vede la partecipazione di tre ricercatori con base in Italia e avrà un forte impatto sulla comprensione dell'intero ciclo di vita delle stelle, dell'evoluzione galattica e dell'espansione cosmica

     01/03/2021
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Una rappresentazione artistica del telescopio spaziale James Webb. Crediti: Northrop Grumman

Si chiama The Resolved Stellar Populations Early Release Science Program ed è uno dei 13 programmi osservativi che saranno condotti dal telescopio spaziale James Webb (Jwst), l’enorme osservatorio astronomico costruito in collaborazione tra la Nasa, l’Esa e l’Agenzia spaziale canadese, il cui lancio è previsto per il 31 ottobre 2021. Queste osservazioni, dette di Early Release Science (Ers), saranno condotte durante i primi cinque mesi delle operazioni scientifiche di Jwst – che a loro volta avranno inizio sei mesi dopo il lancio – per consentire alla comunità scientifica internazionale di allenarsi a utilizzare gli strumenti e le potenzialità dell’osservatorio. I 13 programmi, che spaziano su un’ampia serie di argomenti scientifici, dalla formazione di stelle e pianeti all’evoluzione delle galassie e dei buchi neri nei loro nuclei, sono stati selezionati nel 2017 dal direttore dello Space Telescope Science Institute di Baltimora (Maryland, Usa) e i loro dati saranno resi pubblici immediatamente.

L’obiettivo principale di questo particolare programma Ers è quello di fornire a tutta la comunità i primi dati per calibrare e ottimizzare le future osservazioni di popolazioni stellari con Jwst. Grazie alla combinazione di strumenti ad alta risoluzione che osservano in banda infrarossa, Jwst fornirà un’ampia gamma di dati e informazioni sulle stelle che popolano l’universo locale, rivelando stelle che sono attualmente nascoste anche al potente occhio del telescopio spaziale Hubble.

«I telescopi spaziali Hubble e Spitzer della Nasa sono stati trasformativi, aprendo la porta sull’universo nell’infrarosso, al di là della luce visibile rossa. Webb è un’evoluzione naturale di quelle missioni, combinando la visione infrarossa di Spitzer con la sensibilità e la risoluzione di Hubble», commenta Daniel Weisz della University of California – Berkeley, principal investigator del programma.

Gli specchi del Jwst durante un’attenta ispezione con luce bianca. Crediti: Nasa/Chris Gunn

Con uno specchio primario del diametro di 6,5 metri, la risoluzione angolare di Jwst sarà molto più elevata rispetto a quella di Spitzer, e persino migliore di quella di Hubble. Si potranno così osservare popolazioni stellari in galassie più lontane di quelle attualmente studiate e con poca interferenza causata dalla polvere interstellare. Il team guidato da Weisz ha sviluppato metodi per testare la capacità di Jwst di risolvere stelle singolarmente, creando programmi di analisi dati gratuiti e open source affinché gli astronomi possano utilizzare al meglio l’osservatorio il più rapidamente possibile. Nel team scientifico di questo programma Ers ci sono anche tre astronomi impegnati presso istituzioni italiane: Léo Girardi dell’Inaf, Paola Marigo dell’Università di Padova e Alessandro Bressan della Sissa di Trieste.

«In questo contesto, il gruppo italiano è quello di Parsec, il Padova-Trieste Stellar Evolutionary Code, che da molti anni fornisce alla comunità modelli stellari dettagliati, mirati all’interpretazione di osservazioni ottenute con un’ampia varietà di telescopi», spiega a Media Inaf Léo Girardi, primo ricercatore presso l’Inaf di Padova. «Ovviamente non potevamo non farlo per Jwst. Infatti, saremo tra i primi a verificare i modelli stellari per Jwst, a espanderli, e a correggerli nel caso cambi la calibrazione post-lancio degli strumenti».

La capacità di Jwst di risolvere individualmente le stelle avvolte da gas e polvere nelle osservazioni in luce visibile avrà applicazioni in molte aree della ricerca astronomica. Vedere più stelle significa ottenere maggiori informazioni su tutto il ciclo di vita stellare, dalla nascita alla morte.

«Sfrutteremo la ricca dotazione di filtri a bordo di Jwst per identificare le stelle in fasi evolutive avanzate e con svariate caratteristiche di composizione chimica», commenta Paola Marigo, professoressa ordinaria presso il Dipartimento di fisica e astronomia dell’Università di Padova e associata Inaf. «In particolare sarà possibile identificare le stelle di ramo gigante asintotico, che hanno un ruolo chiave per studiare le proprietà delle galassie fino a grandi distanze. Si tratta di stelle prossime alla morte che si stanno spogliando del loro mantello ad opera di intensi venti stellari, espellendo nel mezzo interstellare nuovi elementi chimici come carbonio, neon, magnesio, zirconio, piombo, assieme a grandi quantità di polvere. Jwst fornirà un contributo straordinario alla nostra comprensione dei complessi processi fisici coinvolti».

Risolvere e studiare le singole stelle è necessario per affrontare il più ampio problema che riguarda la formazione ed evoluzione delle galassie. Il Gruppo locale, un raggruppamento che comprende una ventina di galassie tra le quali la nostra Via Lattea e la vicina Andromeda sono le uniche due di grandi dimensioni, è una specie di laboratorio per studiare dettagli che non possiamo risolvere in galassie molto più distanti. Anche se si tratta solo del nostro “vicinato cosmico”, contiene molti indizi sull’universo primordiale: le galassie più piccole del Gruppo locale, dette nane, possono essere considerate analoghe ad alcune delle prime galassie formatesi nella storia dell’universo. A grandi distanze questi tipi di galassie sono troppo deboli per poter essere rilevate direttamente, persino con Jwst, ma osservarne di simili localmente aiuterà gli astronomi a capire come apparivano circa 13 miliardi di anni fa.

«La risoluzione delle immagini sarà strabiliante», aggiunge Girardi. «Immagini di sorgenti lontane ci appariranno come quelle che siamo abituati a vedere con Hubble per oggetti molto più vicini. Per la prima volta sarà possibile osservare a grandi distanze la controparte delle galassie locali nel vicino e medio infrarosso, con una profondità e un grado di dettaglio mai ottenuti prima. Una vera rivoluzione per l’astrofisica stellare».

Messier 92 visto dal telescopio spaziale Hubble. Crediti: Nasa, Esa, G. Chapdelaine

Tra le prime sorgenti che saranno osservate nell’ambito di questo programma Ers, utilizzando i due strumenti NirCam e Niriss, ci sono Messier 92, uno degli ammassi globulari più antichi e briillanti della Via Lattea; la Galassia di Wolf-Lundmark-Melotte (Wlm), una nana irregolare situata ai confini del Gruppo locale, nella costellazione della Balena; e Draco II, una delle galassie più piccole e fioche tra quelle conosciute, anch’essa parte del Gruppo locale e osservabile nella costellazione del Dragone. Classificata come galassia nana ultra-debole, Draco II è un residuo dei primi “semi” di galassie che si sono formate nell’universo primordiale, alcune delle quali si sono poi fuse per formare galassie più grandi come la Via Lattea.

«Sarà di sicuro un grosso impegno quello di poter studiare i nuovi dati forniti da Jwst», ci racconta Alessandro Bressan, professore ordinario alla Sissa di Trieste e associato Inaf. Il gruppo si sta preparando alle attività e allo sforzo necessario per analizzare e interpretare le nuove osservazioni, e non mancano le preoccupazioni, sia per quanto riguarda l’altissima qualità che la gran quantità di dati in arrivo. «Sicuramente cambierà il nostro modo di procedere. Dall’altro lato, il senso di curiosità all’avvicinarsi di questa sfida sta crescendo più delle nostre preoccupazioni e questo è quello che ci fa sentire sempre attivi, pronti e uniti ai nostri giovani collaboratori».

L’impatto del programma Ers va anche oltre lo studio di stelle e galassie. Estrarre la luce delle singole stelle dalle immagini di Jwst permetterà infatti di calibrare alcuni indicatori di distanza stellari, le cosiddette “candele standard”, fino a distanze di diversi milioni di anni-luce da noi, mediante un software sviluppato dalla collaborazione per effettuare questo tipo di misurazioni. Si tratta di un elemento cruciale per stimare il tasso di espansione dell’universo e studiare la misteriosa energia oscura che sembra guidare la sua accelerazione nel corso degli ultimi miliardi di anni di storia cosmica. Le osservazioni consentiranno così di chiarire la cosiddetta “tensione” sulla costante di Hubble, una delle questioni attualmente più dibattute in astrofisica e cosmologia.

Il team guidato da Weisz prevede che gli astronomi utilizzeranno gli strumenti da loro sviluppati anche in modi inaspettati. Il programma è stato sviluppato grazie allo sforzo dell’intera comunità internazionale che si occupa di studiare l’universo locale, una collaborazione che continuerà anche quando i dati saranno pubblicati, coinvolgendo altri astronomi attraverso un workshop per esaminare i risultati del programma e apportare eventuali modifiche al software sviluppato.

I membri italiani della collaborazione, in attesa del lancio di Jwst e dell’arrivo dei primi dati, anticipano soddisfazioni e sorprese. Soddisfazioni che potranno venire dallo scoprire dettagli predetti dai propri modelli teorici ma mai osservati prima, e sorprese che inevitabilmente accadono quando si raggiungono regioni del cosmo mai esplorate prima.

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