Gli astronomi hanno rilevato il carbonio in una galassia appena 350 milioni di anni dopo il Big Bang, la prima scoperta di un elemento diverso dall’idrogeno.

Il James Webb Space Telescope (JWST) ha trovato ancora una volta la prova che l’universo primordiale era un luogo molto più complesso di quanto pensassimo. Questa volta ha rilevato abbondanza di firme degli atomi di carbonio presenti in una galassia primordiale formatasi appena 350 milioni di anni dopo il Big Bang, una delle prime galassie mai osservate. Ogni elemento che costituisce l’universo che osserviamo oggi si è formato all’interno di una stella. Quando le stelle esplodono come supernove, gli elementi che producono vengono proiettati in tutta la galassia ospite, seminando la successiva generazione di stelle. Con ogni nuova generazione di stelle e “polvere di stelle”, si formano più metalli e, dopo miliardi di anni, l’Universo si evolve fino al punto in cui può supportare pianeti rocciosi come la Terra e forme di vita come noi.

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La presenza di “metalli”

Questa immagine a infrarossi del telescopio spaziale James Webb della NASA (chiamato anche Webb o JWST) è stata scattata dalla NIRCam (Near-Infrared Camera) per il programma JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, o JADES. I dati NIRCam sono stati utilizzati per determinare quali galassie studiare ulteriormente con osservazioni spettroscopiche. Una di queste galassie, JADES-GS-z14-0 (mostrata nel pullout), è stata determinata con uno spostamento verso il rosso di 14,32 (+0,08/-0,20), rendendola l’attuale detentore del record per la galassia più distante conosciuta. Ciò corrisponde a un tempo inferiore a 300 milioni di anni dopo il Big Bang. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

“Metallo” è il nome che gli astronomi danno a qualsiasi elemento più pesante dell’idrogeno o dell’elio, e vedere metalli come il carbonio così presto è una sorpresa. Il carbonio è, ovviamente, uno degli elementi costitutivi della vita sulla Terra, ma svolge anche un ruolo nella formazione delle galassie e del sistema solare. È uno dei materiali che possono accumularsi nei dischi protoplanetari attorno alle stelle, formando una valanga fino a diventare pianeti, lune e asteroidi.

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Ma gli astronomi non si aspettavano che questo processo avvenisse così presto. Quando nacquero le prime stelle (chiamate stelle di popolazione III), in un’era dell’universo conosciuta come Alba Cosmica, gli unici elementi abbondanti intorno erano idrogeno ed elio. Tutti gli elementi più pesanti non esistevano ancora. Poterono formarsi solo più tardi, all’interno dei nuclei delle stelle, quindi non sarebbero stati rilevabili se non molto tempo dopo la morte delle prime stelle.

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Stelle morenti di popolazione III che esplodono come supernove lanciano i loro elementi più pesanti nell’universo, consentendo alle future popolazioni di stelle di sviluppare pianeti rocciosi con una chimica più interessante. Si ritiene che la galassia in questione, denominata GS-z12, contenga in gran parte stelle di seconda generazione, costruite dai resti di quelle prime supernove. Gli astronomi non si aspettavano che gli elementi costitutivi della galassia fossero ricchi di carbonio.

Lo spettrografo del vicino infrarosso del James Webb ha permesso agli astronomi di scomporre la luce proveniente dalla galassia lontana nelle sue parti costitutive, rivelando tutte le diverse lunghezze d’onda presenti. Ogni elemento e composto chimico ha la propria firma se osservato tramite spettroscopia e il segnale per il carbonio era molto forte. C’era anche un segnale più debole per neon e ossigeno, anche se per il momento si tratta di rilevazioni provvisorie.

Implicazioni sullo studio delle prime galassie

La prima foto del James Webb scattata nel luglio del 2022 con suo Deep Field alla ricerca di galassie primordiali. Credit: NASA, ESA, CSA e STScI

Come il carbonio sia emerso prima dell’ossigeno è una questione aperta, ma un’ipotesi propone che gli scienziati ora debbano rivisitare i loro modelli di supernove stellari di popolazione III. Se queste supernovae si verificassero con meno energia di quanto si pensasse in precedenza, disperderebbero il carbonio dai gusci esterni delle stelle, mentre la maggior parte dell’ossigeno presente verrebbe catturato all’interno dell’orizzonte degli eventi mentre le stelle collassano nei buchi neri.

Indipendentemente da come ciò sia accaduto, ora vi è una forte argomentazione a favore dell’esistenza di elementi pesanti all’inizio dell’universo, molto prima di quanto si potesse immaginare. Il James Webb sta rivelando dettagli inaspettati sulle prime galassie che alla fine renderanno le previsioni degli scienziati sull’evoluzione dell’universo molto più robuste. E, cosa forse più significativa, ci racconta anche il primo passo verso la creazione della vita.

“Queste osservazioni ci dicono che il carbonio può arricchirsi rapidamente nell’universo primordiale”, ha affermato Francesco D’Eugenio del Kavli Institute. “E poiché il carbonio è fondamentale per la vita come la conosciamo, non è necessariamente vero che la vita debba essersi evoluta molto più tardi nell’Universo. Forse la vita è emersa molto prima e, anche se ci fosse vita altrove nel cosmo, potrebbe essersi evoluta in modo molto differente da come è avvenuta qui sulla Terra”.

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Fonte: Universe Today, Cambridge University