Ci è voluto davvero poco per sporcare l’universo. All’inizio c’erano quasi soltanto idrogeno ed elio. Poi sono arrivate le stelle, e con loro carbonio, ossigeno, silicio e gli altri elementi che il gergo astronomico, con una certa disinvoltura, chiama tutti “metalli”. Ma produrli è una cosa. Ridistribuirli insieme al gas che li contiene, dentro e attorno alle galassie, è un’altra. E sembra che anche questo sia successo molto presto. Per “presto” si intende quando l’universo aveva tra circa 500 e 750 milioni di anni: già allora, il gas associato ad alcune galassie conteneva elementi pesanti.
La scoperta arriva dalle osservazioni del telescopio spaziale James Webb di tre galassie lontanissime, a redshift compreso tra 7.2 e 9.3, analizzate dal gruppo di ricerca guidato da Yongda Zhu della University of Arizona in uno studio pubblicato la scorsa settimana su Nature Astronomy. Per scovare quel gas, Webb ha usato come torcia le galassie stesse. Prima di arrivare fino a noi, la luce delle loro stelle attraversa il gas e porta con sé le sue impronte: gli atomi e gli ioni presenti assorbono infatti alcune lunghezze d’onda ben precise, lasciando nello spettro una serie di righe scure. È proprio in queste righe di assorbimento che gli autori hanno riconosciuto ossigeno, silicio e carbonio, presenti in diversi stati di ionizzazione.
Rappresentazione artistica di una giovane galassia e del gas che la circonda. In arancione, il gas arricchito di elementi pesanti che si allontana dalla galassia, mostrando come questi elementi potessero essere redistribuiti nell’ambiente circostante già nelle prime centinaia di milioni di anni di vita dell’universo. La visualizzazione è basata sui dati pubblici delle simulazioni cosmologiche Fire-2. Crediti: Yongda Zhu
Ma le righe non dicono soltanto che cosa c’è nel gas. Raccontano anche come si muove.
Nelle osservazioni ottenute con Nirspec, lo spettrografo di Webb che lavora nel vicino infrarosso, molte di queste righe risultano spostate verso il blu. Questo significa che il gas che le produce si muove verso di noi rispetto alla galassia, a velocità comprese tra circa 50 e 250 chilometri al secondo: una configurazione compatibile con materiale che sta uscendo dalla galassia sul lato rivolto verso l’osservatore. E c’è un altro dettaglio interessante: il gas si presenta in diversi stati di ionizzazione, ma le diverse fasi sembrano muoversi insieme. A mettere in movimento il gas potrebbero contribuire diversi processi legati alla formazione e all’evoluzione delle stelle, dalla radiazione ai venti stellari fino alle esplosioni di supernove, che trasferiscono energia al gas circostante e che nel loro insieme rientrano nel cosiddetto feedback stellare. Le osservazioni, però, non permettono di stabilire quale di questi meccanismi sia all’opera, né se ce ne sia uno solo.
In altre parole, alcune delle prime galassie non stavano soltanto producendo elementi pesanti: avevano già cominciato a spargerli nei loro dintorni. Questa redistribuzione di gas arricchito è uno dei processi che fanno parte del ciclo barionico: il continuo movimento di gas, metalli ed energia all’interno delle galassie e tra le galassie e l’ambiente che le circonda. Il gas alimenta la formazione di nuove stelle, le stelle lo arricchiscono di nuovi elementi e quel materiale viene a sua volta rimescolato e redistribuito.
Nelle tre galassie osservate da Webb, alcuni degli ingredienti di questo ciclo erano già presenti nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il big bang, prima ancora che la reionizzazione fosse terminata. Tre galassie, naturalmente, non bastano per dire che lo stesso accadesse ovunque, tanto più che si tratta di galassie luminose, selezionate perché la luce delle loro stelle era abbastanza intensa da permettere di cercare le deboli righe di assorbimento. Ma quello che mostrano ci porta comunque molto indietro nella storia dell’arricchimento chimico. E se carbonio, ossigeno e silicio erano già lì, le stelle dovevano aver cominciato a produrli ancora prima: in poche centinaia di milioni di anni, le prime generazioni stellari avevano già avuto il tempo di nascere, evolvere e arricchire il gas di elementi più pesanti dell’elio.
Quali stelle siano state le principali responsabili, però, è un’altra questione. Le prime stelle dell’universo, quelle che vengono chiamate di Popolazione III, si formarono da gas ancora praticamente privo di elementi pesanti e potrebbero quindi sembrare le candidate naturali per dare inizio all’arricchimento chimico, ma secondo gli autori dello studio anche la generazione successiva, la Popolazione II, potrebbe aver prodotto rapidamente gli elementi osservati grazie alla presenza di stelle molto massicce.
Chiunque sia stato il responsabile, Webb ci sta portando sempre più vicino a quel momento lontanissimo in cui l’universo cominciava appena a sporcarsi di nuovi elementi.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Early metal-enriched baryon cycling before the midpoint of cosmic reionization”, di Yongda Zhu et al.