Interpretazione artistica di una delle tre galassie osservate al Telescopio Webb. Foto realizzata da: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Scoprire come l’Universo ha avuto inizio, miliardi di anni fa, ha da sempre suscitato nell’uomo un fascino indescrivibile. Vederlo da vicino, con i propri occhi, rientra in un immaginario degno dei migliori film di fantascienza. O Forse non più. Ed è l’Istituto Niels Bohr di Copenaghen a confermarlo.

Qui, grazie a un team di ricercatori e all’utilizzo del Telescopio Spaziale James Webb (JWST), è stata osservata per la prima volta la formazione di tre delle prime galassie dell'Universo, più di 13 miliardi di anni fa. Queste si sarebbero originate durante il periodo definito come Alba Cosmica, una sorta di Medioevo dell’Universo, collocabile nel primo miliardo di anni dopo il Big Bang, quando le prime stelle e galassie iniziarono a formarsi.

In questo periodo, l'Universo passò dall’essere estremamente caldo e denso, a raffreddarsi e a diminuire la sua densità. Questo fenomeno, conseguente alla sua espansione, ha permesso all'idrogeno e all'elio primordiali di cominciare a condensarsi e formare le prime stelle.

È stato proprio l’idrogeno che, per anni, ha impedito l’osservazione e lo studio dell’origine delle prime strutture cosmiche: la nebbia condensata di questo elemento neutro, che permeava l'Universo, impediva alla luce di propagarsi liberamente.

L’esperimento, in questo caso, è stato possibile poiché una delle caratteristiche distintive del JWST è la sua capacità di osservare nella banda visiva dell’infrarosso. La luce infrarossa può penetrare polveri spaziali che bloccano la luce visibile, permettendo al telescopio di osservare galassie distanti e sistemi solari in formazione.

L’esperimento

Lo studio, pubblicato su Science, è stato condotto dall’astrofisico Kasper Elm Heintz in stretta collaborazione con i colleghi di ricerca Darach Watson, Gabriel Brammer e la dottoranda Simone Vejlgaard del Cosmic Dawn Center presso l'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenaghen, un centro il cui obiettivo è quello di indagare e comprendere l'origine dell'Universo.

Sfruttando il redshift, che misura quanto la luce di un oggetto si sia spostata verso il rosso, si è cercato di capire quali fossero le galassie più remote. Letteralmente significa “spostamento verso il rosso”, praticamente è associato a onde magnetiche (di cui la luce è composta) con una lunghezza d’onda maggiore. In questo caso, un redshift superiore a 8 indica un oggetto particolarmente lontano, data la correlazione diretta fra espansione dello spazio e aumento della sua lunghezza d’onda.

L'obiettivo principale dello studio è stato individuare la presenza di assorbitori di Lyman-alfa smorzati (DLA) in questo tipo di galassie. I DLA sono estesi serbatoi di gas idrogeno neutro nelle galassie di formazione stellare. Date le loro dimensioni, i ricercatori hanno pensato che essi potessero ricoprire una parte piuttosto ampia di ogni galassia, suggerendo che si stavano attivamente aggregando in materiale galattico. Il fatto che ci fosse una certa abbondanza di questo gas indica anche che, al momento delle osservazioni, le galassie dovevano ancora formare la maggior parte delle stelle di cui sono composte.

Studiare questi assorbitori è molto importante perché forniscono informazioni sulla distribuzione e sulla quantità di gas neutro nelle galassie primordiali, nonché sul processo di reionizzazione dell'idrogeno interstellare (IGM), fase critica nella storia cosmica in cui l'idrogeno neutro intergalattico è stato ionizzato dai primi oggetti luminosi nell'Universo. Questi, infatti, avevano un’energia tale da slegare e allontanare gli elettroni dai singoli atomi di idrogeno. La nuova “formazione” dell’elemento ha poi consentito alla luce ultravioletta di viaggiare in maniera più agevole, rendendo l'Universo osservabile a grandi distanze.

Nello specifico, l'esperimento ha identificato tre galassie molto antiche con potenziali DLA: CEERS-43833, MACS0647-JD e CEERS-16943. Utilizzando lo strumento NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) del JWST, uno spettrografo a infrarossi estremamente sensibile, gli scienziati hanno confermato gli elevati redshift di queste galassie e, attraverso la misurazione della luce, sono stati in grado di distinguere il gas associato alle galassie appena formate da altri tipi di gas.

“Si potrebbe dire che queste sono le prime immagini “dirette” di formazione delle galassie che abbiamo mai visto. - rivela Kasper Elm Heintz - Mentre il James Webb (Space Telescope, Ndr) ci ha precedentemente mostrato galassie primordiali in fasi successive dell'evoluzione, qui assistiamo alla loro nascita e, quindi, alla costruzione dei primi sistemi stellari nell'Universo”.

La nascita di queste tre galassie si stima sia avvenuta intorno ai 400 o 600 milioni di anni dopo il Big Bang, rendendole le più antiche mai studiate finora.

La nascita dell’Universo

Il Big Bang, che ha avuto luogo circa 13,8 miliardi di anni fa, ha portato a una rapidissima espansione dello spazio, con la conseguente nascita di un Universo estremamente primordiale, denso e, soprattutto, privo di luce. L’evento liberò successivamente un numero molto elevato di particelle, quali quark ed elettroni, che si aggregarono, dapprima formando protoni e neutroni, e, in seguito, i primi nuclei atomici.

Gli elettroni iniziarono lentamente a orbitare attorno ai nuclei e, dopo circa 380.000 anni dal Big Bang, iniziarono a formarsi gli atomi più semplici dell’Universo. Nel corso di questi anni, la luce risultava ancora inesistente.

Continuando ad espandersi, l’Universo lentamente si raffreddò, portando alla formazione di immense quantità di idrogeno neutro. Per circa 100 milioni di anni questo elemento dominò lo spazio prima che iniziassero a formarsi le prime galassie. Le prime stelle si formarono proprio in seguito all’aggregazione di nubi di idrogeno ed elio primordiali, circa 100-200 milioni dopo il Big Bang, e la luce ultravioletta che emettevano portò per la prima volta la luce nell’Universo. Ed è proprio all’interno di queste stelle che si sono formati gli atomi più complessi che abbiamo intorno a noi.

Le radiazioni ultraviolette emesse dalle prime stelle e galassie iniziarono a ionizzare l'idrogeno neutro presente nell'Universo. Questa fase è conosciuta come “reionizzazione” e ha portato l’Universo da uno stato neutro ad uno ionizzato. Durante questo periodo, le galassie hanno continuato la loro evoluzione. Il nostro sistema solare è nato solo circa 4,6 miliardi di anni fa, più di 9 miliardi di anni dopo il Big Bang.

“Una delle domande fondamentali che noi esseri umani ci siamo sempre posti è: “Da dove veniamo?”. Qui, mettiamo insieme un po' di più la risposta facendo luce sul momento in cui sono state create alcune delle prime strutture dell'universo. È un processo che indagheremo ulteriormente, fino a quando, si spera, saremo in grado di mettere insieme ancora più pezzi del puzzle”, conclude Gabriel Brammer.

Il lavoro dei ricercatori dell'Istituto Niels Bohr non è concluso. Continuare ad utilizzare il Telescopio Spaziale James Webb permetterà di scoprire strutture ancora più antiche di queste galassie e di ricostruire in maniera dettagliata l’evoluzione dell’Universo.