Per qualche anno c’è stata lei, Gn-z11, scoperta nel 2016, a detenere il record di galassia più lontana mai osservata. Nel 2022 ci ha pensato la galassia Hd1 a contenderle questo primato. Poi, dopo il lancio del telescopio Webb, impareggiabile occhio puntato sull’universo infrarosso, galassie a distanze remotissime hanno cominciato pian piano a fioccare sugli schermi degli astronomi, ma non senza diverse incertezze. Il parametro che gli astrofisici usano per quantificare la distanza delle galassie si chiama redshift, ed è una conseguenza dell’espansione dell’universo. Maggiore è il redshift e maggiore sarà la distanza della galassia osservata: 10.6 è per esempio il redshift di Gn-z11, mentre quello di Hd1 è stimato intorno a 13. E così si è arrivati a Jades-Gs-z13-0, oggetto a redshift 13.2, scoperto con Webb e – fino a ieri – galassia più lontana mai vista.
Le galassie Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 viste dallo strumento NirCam del telescopio spaziale Webb (cliccare per ingrandire). Crediti: S. Carniani, 2024; Jades collaboration
Fino a ieri, appunto: è di oggi infatti la scoperta di due galassie a distanza ancora maggiore. Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 si chiamano, rispettivamente a redshift 14.3 e 13.9. Le due galassie sono state scoperte dalla collaborazione internazionale Jades (Jwst Advanced Deep Extragalactic Survey). A guida italiana l’articolo che presenta la scoperta: primo nome dello studio, reso pubblico oggi su arXiv, è infatti Stefano Carniani, aretino di origine e ricercatore alla Scuola Normale Superiore di Pisa. Per la prima volta viene così abbattuto il muro di redshift 14: mai prima di ora si era riusciti a scrutare i recessi dell’universo e delle sue inquiline più remote tanto in profondità. Redshift 14 che, tradotto in epoche cosmiche, vuole dire: trecento milioni di anni dopo il Big Bang. Maggiore è la distanza e più antica sarà infatti l’epoca cosmica da cui la luce delle galassie ci avrà raggiunti. Trovare galassie a distanze remote consente dunque agli astronomi di investigare epoche primordiali della storia dell’universo.
Nello studio sono state utilizzate sia le immagini delle due galassie, ottenute con gli strumenti NirCam e Miri a bordo di Webb, che gli spettri realizzati con lo spettrografo NirSpec. Questi ultimi sono stati fondamentali per la conferma delle distanze. In particolare, Jades-Gs-z14-0, oltre a essere la galassia più lontana mai vista, è straordinariamente brillante. Nessun altro telescopio se non Webb avrebbe potuto catturare la luce remotissima di questo oggetto. Un’altra conseguenza dell’espansione dell’universo è che la luce delle galassie lontane si sposta dalla finestra dell’ultravioletto e del visibile a quella dell’infrarosso, terreno di caccia per gli occhi sempre aperti di Webb. Alla scoperta è stata dedicato un post uscito oggi sul blog della Nasa dedicato a Webb. Un’alba cosmica che si rivela dunque luccicante, più di quanto ci si aspettasse, riprendendo il titolo – “A shining cosmic dawn” – dell’articolo di Carniani e collaboratori. Lo abbiamo intervistato per commentare questa straordinaria scoperta.
Cos’ha pensato, così, a caldo, la prima volta che ha visto gli spettri di queste due galassie?
«Penso che guardare per la prima volta i dati ottenuti con lo spettrografo NirSpec in modalità multi-oggetto, ovvero quando osserva più sorgenti contemporaneamente, è come aprire una pacchetto di figurine, non sai quello che ci sarà, ma sai che sicuramente rimarrai a bocca aperta. Come un bambino con il suo pacchetto di figurine appena aperto, io sono rimasto senza parole quando ho visto il primo spettro della galassia ad alto redshift. Quando ho visto i dati anche delle seconda galassia, ho rilanciato la pipeline di riduzione dati e controllato che il processo di calibrazione dati non avesse avuto problemi. Appena ho realizzato che i dati erano ben calibrati, ho subito condiviso gli spettri con i colleghi del gruppo Jades per condividere lo stupore con loro».
Nell’articolo si legge che la galassia più distante, Jades-Gs-z14-0, vi ha dato del filo da torcere. Per puro caso nelle immagini la vediamo molto prossima a una galassia decisamente più vicina alla Via Lattea, il che vi aveva fatto pensare che le due sorgenti potessero essere associate. Come vi siete accorti che Jades-Gs-z14-0 era un oggetto in qualche modo speciale, molto più distante della galassia “compagna”?
«È una storia che ha inizio a fine 2022, quando abbiamo ottenuto le prime immagini NirCam di questa galassia. Avevamo notato subito che, mentre la galassia vicina emetteva luce a tutte le lunghezze d’onda visibili con Webb, Jades-Gs-z14-0 era assente nelle immagini nei filtri più blu. Viceversa, Jades-Gs-z14-0 appariva molto luminosa nelle immagini più rosse, ottenute con Miri. Benché le immagini sembrassero convincenti, siamo sempre stati un po’ dubbiosi che questa galassia fosse così lontana, perché era troppo luminosa per esistere nell’universo primordiale. Temevamo che la galassia più vicina contaminasse la nostra analisi e quindi la nostra stima della distanza. Con l’arrivo dei dati NirSpec, nel gennaio 2024, abbiamo risolto il nostro dubbio e misurato con precisione la distanza tra noi e Jades-Gs-z14-0. Per sicurezza abbiamo ottenuto dati spettroscopici della galassia accanto, per escludere qualsiasi tipo di contaminazione e incertezza».
Per ottenere uno spettro della lontana galassia Jades-Gs-z14-0, al fine di misurare con precisione il suo redshift e quindi determinare la sua età, gli scienziati hanno utilizzato il NirSpec (Near-Infrared Spectrograph) del James Webb Space Telescope della Nasa. Il redshift può essere determinato dalla posizione di una lunghezza d’onda critica nota come Lyman-alfa break. Questa galassia risale a meno di 300 milioni di anni dopo il Big Bang. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Joseph Olmsted (Stsci); S. Carniani (Scuola Normale Superiore), Collaborazione Jades
Quale tecnica avete utilizzato per assegnare una distanza a queste galassie? Possiamo fidarci della robustezza di questo risultato?
«Abbiamo utilizzato una tecnica, già utilizzata da anni, che consiste nel misurare la lunghezza d’onda alla quale vediamo il cosiddetto Lyman-break. Il Lyman-break è una netta discontinuità nello spettro elettromagnetico osservato con i telescopi perché la luce emessa dalle stelle a lunghezze d’onda corte viene assorbita dagli atomi di idrogeno neutro presenti nell’universo, mentre la luce a lunghezze d’onda più lunghe non risente di questo effetto e riesce ad arrivare fino a noi. Negli spettri elettromagnetici delle galassie lontane, questo processo si mostra con una forma “a scalino” e la sua posizione in unità di lunghezza d’onda dipende dalla distanza che c’è tra la galassia e noi. Il Lyman-break, ovvero lo scalino, appare nei dati di Jades-Gs-z14-0 e Jades-Gs-z14-1 in modo chiaro e ben distinguibile, permettendoci cosi di misurare la loro distanza dalla Terra con buona accuratezza».
Con il vostro team avete studiato in maniera approfondita anche la galassia Gn-z11, che per alcuni anni è stata la detentrice del record di galassia più lontana mai osservata. In particolare, lo spettro di Gn-z11 rivela una straordinaria abbondanza di elementi chimici, in un’epoca remota nella storia dell’universo. C’è qualche somiglianza tra Jades-Gs-z14-0 e Gn-z11? O in comune hanno solo l’aver conquistato questo record?
«Inizialmente pensavo che Jades-Gs-z14-0 e Gn-z11 fossero simili e che la loro storia evolutiva fosse la stessa. Analizzando gli spettri delle due galassie, mi sono accorto che i tipici profili di luce, detti righe di emissione, degli elementi chimici osservati nello spettro elettromagnetico di Gnz-11 non sono presenti in quelli di Jades-Gs-z14-0. Poi mi sono accorto che la galassia Gn-z11 è molto più compatta della nostra. Sinceramente sono stupito che due galassie così brillanti abbiano caratteristiche diverse e non so spiegarmi questa differenza».
Stefano Carniani, aretino di origine e ricercatore alla Scuola Normale Superiore di Pisa, mostra gli spettri delle due galassie protagoniste della scoperta. Crediti: S. Carniani
Continuiamo a parlare di lei, Jades-Gs-z14-0, la galassia più lontana mai osservata. Così distante e così brillante: è un problema per i modelli attuali?
«Se tre anni fa mi avessero chiesto cosa mi sarei aspettato di osservare con Webb nell’universo primordiale, avrei risposto galassie appena formate e poco brillanti. Questo è quello che ci si aspettava sulla base dei modelli teorici e delle simulazioni numeriche che erano calibrate principalmente su quello che sapevamo grazie al telescopio spaziale Hubble. La scoperta di Jades-Gs-z14-0 non è proprio quello che ci si aspettava, dato che si presenta luminosa e probabilmente già arricchita di polvere e atomi di ossigeno prodotti dalle stelle al suo interno. I modelli prevedono che una galassia così evoluta si formi in centinaia di milioni di anni e che non esista in epoche cosi vicine al Big Bang. Jades-Gs-z14-0 dimostra chiaramente che le galassie si formano ed evolvono molto più velocemente di quello che si pensava. In particolare i nostri studi indicano che la galassia sia arrivata al suo stadio attuale in una decina di milioni di anni. È chiaro che dobbiamo rivedere quello che sapevamo dei processi fisici che regolano l’evoluzione delle galassie nella loro fase iniziale».
Da quando Webb è stato lanciato, parlare di galassie oltre redshift 10 sta diventando usuale in astronomia, un fatto assolutamente impensabile fino a un paio di anni fa. I redshift delle galassie più distanti continuano ad aumentare. A quale redshift diventerebbe inevitabile rivedere profondamente tutto l’impianto teorico sulla formazione delle prime strutture?
«Si pensa che le prime galassie si siano formate tra redshift 20 e 30, ovvero quando l’universo aveva solo 100-150 milioni di anni. Se trovassimo galassie così distanti e già evolute, temo che dovremmo iniziare a riscrivere i libri universitari di astrofisica e aprire la nostra mente a nuove teorie. Poiché a solo due anni dal lancio di Jwst siamo già arrivati a redshift 14.3 (meno di 300 milioni di anni dal Big Bang), penso che fra qualche anno potremo confermare o confutare le basi principali della cosmologia».
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv il preprint dell’articolo, ancora in attesa di pubblicazione, “A shining cosmic dawn: spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at z∼14”, di Stefano Carniani, Kevin Hainline, Francesco D’Eugenio, Daniel J. Eisenstein, Peter Jakobsen, Joris Witstok, Benjamin D. Johnson, Jacopo Chevallard, Roberto Maiolino, Jakob M. Helton, Chris Willott, Brant Robertson, Stacey Alberts, Santiago Arribas, William M. Baker, Rachana Bhatawdekar, Kristan Boyett, Andrew J. Bunker, Alex J. Cameron, Phillip A. Cargile, Stéphane Charlot, Mirko Curti, Emma Curtis-Lake, Eiichi Egami, Giovanna Giardino, Kate Isaak, Zhiyuan Ji, Gareth C. Jones, Michael V. Maseda, Eleonora Parlanti, Tim Rawle, George Rieke, Marcia Rieke, Bruno Rodríguez Del Pino, Aayush Saxena, Jan Scholtz, Renske Smit, Fengwu Sun, Sandro Tacchella, Hannah Übler, Giacomo Venturi, Christina C. Williams e Christopher N. A. Willmer