Un team di astronomi dell’Università del Missouri ha individuato 300 oggetti insolitamente luminosi nelle profondità del cosmo, utilizzando le osservazioni a infrarossi del James Webb Space Telescope (JWST). Questi oggetti, selezionati grazie a una particolare tecnica e osservati con gli strumenti NIRCam e MIRI del telescopio, potrebbero rappresentare alcune delle galassie più antiche mai identificate, formatesi nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.
Lo studio, pubblicato su The Astrophysical Journal, ha messo in evidenza come una parte significativa di questi corpi celesti presenti caratteristiche coerenti con un redshift molto elevato, cioè un marcato spostamento verso il rosso della loro luce, causato dall’espansione dell’Universo e proporzionale alla distanza dell’oggetto. Valori alti di redshift indicano che la luce è partita miliardi di anni fa, da epoche vicine alla formazione delle prime stelle e galassie. La maggioranza, tuttavia, sembra appartenere a popolazioni di galassie polverose o a bassa distanza cosmologica, ma con colori estremamente rossi, che le fanno apparire simili a oggetti dell’Universo primordiale.
Tra i 300 candidati, sette hanno già una misura spettroscopica: sei sono galassie a distanza intermedia (redshift 3, circa 11 miliardi di anni luce), mentre una è confermata a redshift 8.679, la cui luce è partita oltre 13.1 miliardi di anni fa. Da sola non mette in crisi i modelli attuali, ma la possibile presenza di altri oggetti così luminosi in epoche così antiche, d’accordo con altre osservazioni passate di Webb, potrebbe offrire nuovi indizi sulla formazione delle galassie massicce.
La tecnica del dropout e il “Lyman Break”
L’identificazione dei candidati è avvenuta con la tecnica del dropout, che si basa su un effetto fisico chiamato Lyman Break. Nelle galassie molto lontane, la radiazione ultravioletta prodotta da stelle giovani viene in gran parte assorbita dall’idrogeno neutro presente nello spazio intergalattico. Questo assorbimento avviene in corrispondenza di lunghezze d’onda ben precise, causando un vero e proprio “taglio” (il Lyman Break, appunto) nello spettro della luce della galassia. A lunghezze d’onda più corte (cioè più blu) il segnale scompare quasi del tutto, mentre a lunghezze d’onda più lunghe (più rosse) la galassia torna a essere visibile.
Con l’aumentare della distanza, questo “taglio” si sposta verso il rosso a causa dell’espansione dell’Universo, quindi del redshift. Per galassie molto lontane, il Lyman Break può spostarsi ben oltre la luce visibile, finendo nell’infrarosso. Il JWST, con i suoi strumenti NIRCam e MIRI, è progettato proprio per rilevare questa luce “allungata” dal tempo e dallo spazio.
In pratica, i ricercatori cercano oggetti che “scompaiono” nelle immagini ottenute a lunghezze d’onda più blu ma che risultano chiaramente visibili in quelle più rosse. Questo è il segnale di un potenziale alto redshift. Una volta individuati, i candidati vengono analizzati con il metodo del Spectral Energy Distribution fitting (SED fitting), che confronta la distribuzione di luminosità dell’oggetto in tutte le bande osservate con modelli teorici. Questo permette di stimare non solo il redshift, ma anche parametri fisici come la massa stellare, l’età della popolazione stellare e il tasso di formazione di nuove stelle.
Un campione vario tra alto e basso redshift
Dall’analisi, circa due terzi degli oggetti osservati sembrano essere galassie relativamente vicine su scala cosmica, con redshift compreso tra 1 e 4, cioè la loro luce è partita tra circa 8 e 11 miliardi di anni fa. Queste galassie mostrano forti emissioni nell’infrarosso, dovute alla presenza di grandi quantità di polvere o a un’intensa attività di formazione stellare.
Almeno il 7% del campione, però, presenta caratteristiche compatibili con epoche molto più antiche, a redshift superiore a 6, quando l’Universo aveva meno di un miliardo di anni. Per queste galassie, le stime preliminari indicano masse fino a circa 1010.5 masse solari (31 miliardi di volte la massa del Sole) e una luminosità ultravioletta molto elevata, fattori che le rendono particolarmente preziose per gli studi sulla formazione delle prime strutture cosmiche.
Un aspetto interessante riguarda la forma di questi oggetti: circa la metà appare compatta, mentre il 38% presenta un aspetto discoidale. In un’epoca così remota, la presenza di dischi galattici ben organizzati era considerata improbabile, ma le osservazioni del JWST stanno progressivamente cambiando questa idea.
Il ruolo della spettroscopia
La conferma definitiva della natura di questi oggetti arriverà dalla spettroscopia. Questo metodo permette di scomporre la luce nei suoi componenti e identificare le linee spettrali caratteristiche, fornendo informazioni precise su età, composizione chimica e storia evolutiva della galassia.
Finora, solo una delle sorgenti ha avuto conferma spettroscopica di essere una galassia dell’Universo primordiale, ma il campione studiato rappresenta un obiettivo privilegiato per future osservazioni con JWST e altri telescopi. Se anche solo una piccola frazione di questi candidati venisse confermata ad altissimo redshift, potrebbe diventare necessario rivedere le attuali teorie sulla formazione rapida di galassie massicce nei primi 500 milioni di anni dopo il Big Bang.
