Il marcatore è una bolla inaspettata che potrebbe segnalare una reionizzazione cosmica più precoce del previsto.
La galassia estremamente distante JADES-GS-z13-1 è il piccolo punto rosso al centro di questa immagine del telescopio spaziale James Webb. Nuove osservazioni mostrano che la galassia emette una quantità sorprendente di luce ultravioletta, indicando che sta rimodellando radicalmente il paesaggio cosmico intorno a sé.
Il telescopio spaziale James Webb ha catturato una galassia distante che soffia una bolla inaspettata nel gas circostante, solo 330 milioni di anni dopo il Big Bang. La galassia, denominata JADES-GS-z13-1, segna il segno più precoce finora individuato dell’era della reionizzazione cosmica, un periodo trasformativo nella storia dell’universo quando le prime stelle e galassie iniziarono a rimodellare il loro ambiente, riportano gli astronomi nel numero del 27 marzo di Nature.
“Segna sicuramente un punto sulla mappa del primo momento in cui [la reionizzazione] molto probabilmente è già iniziata,” dice l’astrofisico Joris Witstok dell’Università di Copenaghen. “Nessuno aveva previsto che sarebbe stato così presto” nella storia dell’universo.
Per milioni di anni prima che JADES-GS-z13-1 e altre simili iniziassero a brillare, l’universo era riempito di gas freddo e neutro, principalmente idrogeno ed elio. Questo gas assorbiva la luce a lunghezza d’onda corta da qualsiasi stella che brillava prima di circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Ma man mano che sempre più stelle iniziavano a bruciare e a raggrupparsi in galassie, producevano abbastanza luce ultravioletta da strappare elettroni dagli atomi di gas neutro, ionizzandoli e rendendo il gas trasparente alla luce a lunghezza d’onda corta.
Un chiaro segnale di questa ionizzazione arriva in una particolare lunghezza d’onda UV chiamata Lyman-α, che è prodotta dagli atomi di idrogeno eccitati che ritornano ai loro stati energetici più bassi. Vedere fotoni Lyman-α che emanano da una galassia significa che la galassia deve aver soffiato una bolla di gas ionizzato intorno a sé abbastanza grande da permettere alle particelle di luce di raggiungere i nostri telescopi oggi.
“Puoi pensare alle galassie come piccole torce Lyman-α,” dice l’astrofisico Steven Finkelstein dell’Università del Texas ad Austin, che non è stato coinvolto nel nuovo studio. “Se puoi vedere il Lyman-α, significa che si trovano in una parte ionizzata dell’universo.” Se non puoi vedere il Lyman-α, le galassie sono avvolte in una nebbia di idrogeno neutro.
Osservazioni precedenti hanno mostrato che l’universo era completamente ionizzato circa un miliardo di anni dopo il Big Bang. Ma è difficile dire quando il processo è iniziato, o cosa esattamente ha prodotto la luce.
Witstok e colleghi hanno utilizzato JWST per osservare JADES-GS-z13-1, una delle più chiare di queste prime galassie, per quasi 19 ore, scomponendo la sua luce in uno spettro di lunghezze d’onda per cercare dettagli sulla composizione della galassia.
JWST è stato progettato per cercare queste brillanti, antiche galassie. Man mano che l’universo si espande, la luce ultravioletta che queste galassie hanno originariamente emesso viene allungata a lunghezze d’onda più lunghe, nell’infrarosso. Dall’inizio delle operazioni nel 2022, i sensibili rilevatori a infrarossi di JWST hanno scoperto un numero crescente di galassie la cui luce proviene da meno di 300 milioni di anni dopo il Big Bang.
Con loro sorpresa, i ricercatori hanno trovato un segnale chiaro e luminoso di fotoni Lyman-α provenienti da JADES-GS-z13-1. Se ti trovassi accanto alla galassia, questa luce da sola brillerebbe quanto 10 miliardi di soli.
“Abbiamo improvvisamente visto questa enorme, risonante linea di emissione” che fa sembrare tutte le altre galassie distanti trovate da JWST “un po’ noiose,” dice Witstock. “La pura forza di essa ci dice che qualunque sia questa fonte deve essere davvero, davvero potente e diversa da qualsiasi cosa abbiamo visto prima.”
La scoperta è “sia sorprendente che eccitante,” dice il cosmologo Michele Trenti dell’Università di Melbourne, che non è stato coinvolto nello studio e ha scritto un articolo di prospettiva che ha accompagnato il documento su Nature. “Non mi sarei aspettata che la luce ultravioletta emessa da questa galassia come Lyman-α potesse raggiungere il JWST,” dice. “Questo suggerisce che le galassie che si formano precocemente sono più efficienti di quanto si pensasse nel riscaldare nuovamente l’universo.”
Non è ancora chiaro esattamente quale sia la fonte della luce. La luce potrebbe provenire dalla materia che è stata riscaldata mentre cadeva su un buco nero supermassiccio al centro della galassia. Le dimensioni compatte della galassia supportano questa idea: sembra che sia larga solo circa 230 anni luce, rispetto ai 32.000 anni luce della Via Lattea.
La luce potrebbe anche provenire da stelle estremamente calde e massicce, circa 100-300 volte la massa del sole e più di 15 volte più calde. Sono necessarie ulteriori osservazioni per capire quale delle due ipotesi sia corretta, ma entrambe hanno implicazioni per le condizioni nell’universo primordiale.
“Entrambe le possibilità sono stimolanti per l’innovazione,” dice Trenti. “Mi aspetto che i teorici saranno al tavolo da disegno, sviluppando nuovi modelli per l’evoluzione delle galassie e dei buchi neri durante l’alba dell’universo, mentre gli osservatori cercheranno sicuramente di scoprire altre galassie simili per risolvere il puzzle.”