Nonostante il telescopio spaziale James Webb abbia individuato antichissime galassie, non abbiamo ancora visto nulla dei primi 250 milioni di anni dell’Universo.
A metà del 2022, si discuteva su chi avrebbe infranto il record di distanza cosmica. Nel 2016, una galassia la GN-z11 ha stabilito un record definitivo: è arrivata a noi da quando l’Universo aveva solo 407 milioni di anni. Ma qualche anno dopo, alcuni sostenevano che una nuova galassia, HD1, fosse ancora più distante, portando HD1 in cima all’elenco di Wikipedia nella classifica degli oggetti astronomici più distanti e persino nel Guinness dei primati. Anche l’Università di Harvard la definì l’oggetto più distante di tutti i tempi.
Tuttavia, nessuno dei due “detentori del record” sarebbe durato dopo il lancio del James Webb. Non appena è stata pubblicata la prima foto in campo profondo, sono emerse quasi 100 candidate per quella che potrebbe essere una galassia da record in quella determinata zona dello spazio. A dicembre 2022 sono state annunciate una serie di nuove galassie, con la più distante, JADES-GS-z13-0, proveniente da quando l’Universo aveva solo 320 milioni di anni: il 2,3% della sua età attuale. Poi, il 30 maggio 2024, un nuovo record cosmico le ha superate tutti gli altri: JADES-GS-z14-0, la cui luce è stata emessa quando l’Universo aveva solo 285 milioni di anni: il 2,1% della sua età attuale.
Ma perché non abbiamo trovato nulla di ancora più antico? Proviamo a capirlo.
La differenza tra galassia candidata e galassia confermata
Partiamo dalla differenza tra una galassia candidata e una galassia confermata. Quando osservi un oggetto nell’Universo, e questo vale per qualsiasi oggetto, devi considerare il compromesso tra la quantità di tempo che puoi dedicare a una particolare osservazione e la quantità di conoscenza scientifica che puoi acquisire con le osservazioni che stai conducendo. In astronomia, l’obiettivo è raccogliere quantità di luce sufficientemente grandi da poter identificare con precisione cos’è un singolo oggetto e quali sono le sue proprietà.
La fotometria
Ciò significa che, per prima cosa, dobbiamo trovare questi oggetti e identificarli come interessanti. Questo normalmente avviene attraverso la fotometria. L’abbiamo fatto con Hubble, lo stiamo facendo ora con il James Webb e continueremo a farlo con qualsiasi telescopio terrestre e spaziale che avremo a disposizione in futuro. D’altronde un telescopio è un gigantesco “secchio di luce”, grazie al quale apriamo un occhio enorme sull’Universo e raccogliamo tutta la luce che entra per tutto il tempo in cui osserviamo. Ma non vogliamo raccogliere tutta la luce che abbraccia tutte le diverse lunghezze d’onda in una volta. Vogliamo essere sensibili alla luce di diverse lunghezze d’onda ed energie.
Il modo in cui lo facciamo è posizionando quello che chiamiamo filtro fotometrico sui nostri strumenti. Invece di raccogliere tutta la luce emessa dagli oggetti nel nostro campo visivo, raccogliamo solo la luce che rientra in un intervallo di lunghezza d’onda specifico: ogni singolo filtro consente alla luce entro un certo intervallo di colori (e lunghezze d’onda) di attraversarlo, dove raggiunge gli strumenti, mentre filtra tutte le altre lunghezze d’onda della luce.
Quali proprietà deve avere un oggetto cosmico per essere definito “interessante”
Osservando quindi lo stesso campo visivo con più filtri fotometrici diversi per un certo periodo di tempo, possiamo iniziare a vedere come appare quella regione dello spazio, nonché ogni oggetto sufficientemente luminoso da apparire in quella regione. In termini astronomici, se diamo la caccia a galassie lontane, non vogliamo semplicemente sommare quella luce e assegnarle un colore. Questo potrebbe essere il metodo giusto per il cervello umano, ma non per identificare galassie da record. Al contrario, vogliamo cercare una certa classe di segnale da un oggetto che esibisca queste proprietà:
- Nelle lunghezze d’onda corte della luce è completamente invisibile e non emette alcuna luce rilevabile.
- Quindi, superata una certa soglia di lunghezza d’onda, non solo diventa visibile, ma anche costantemente luminoso.
Il motivo è semplice. Le galassie sono gigantesche raccolte di stelle, gas, polvere, plasma e (tipicamente) un buco nero supermassiccio centrale. Emettono luce su un’ampia varietà di lunghezze d’onda, ma il segnale luminoso più forte proviene dalle stelle. Maggiore è la popolazione di stelle giovani, calde, massicce e di recente formazione, più blu sarà la luce di una galassia. In particolare, verrà emessa una grande quantità di luce visibile e ultravioletta, con gli oggetti più luminosi che emetteranno un’enorme quantità di luce ultravioletta. Tuttavia, da una galassia molto lontana, quella luce verrà spostata verso il rosso, o allungata a lunghezze d’onda maggiori, mentre viaggia attraverso l’Universo prima di raggiungere gli occhi del nostro telescopio.
L’espansione dell’Universo e la spettroscopia
Se si vogliono osservare i fotoni che ci arrivano da una galassia lontana, tuttavia, non si può semplicemente guardare quelle lunghezze d’onda e aspettarsi di vedere un segnale di emissione. Bisogna tenere conto dell’espansione dell’Universo. Ma questo è sufficiente solo per identificare qualcosa come una galassia candidata ultra-distante. Per essere certi che la nostra stima del redshift fotometrico sia accurata, ovvero che l’oggetto si trovi realmente alla distanza che gli assegniamo, abbiamo bisogno di una conferma spettroscopica. La spettroscopia comporta:
- raccogliere una grande quantità di luce attorno a un oggetto particolare (anche se è possibile farlo su più di un oggetto contemporaneamente),
- scomponendo quella luce nelle sue singole lunghezze d’onda componenti e registrandole tutte,
- e rivelando l’impronta di singoli atomi, ioni e (talvolta) molecole che emettono e/o assorbono la luce di quell’oggetto.
Rispetto alla fotometria, la spettroscopia è costosa: richiede periodi di osservazione molto più lunghi. Ma a differenza della fotometria, dove ci sono molteplici possibili spiegazioni per la distanza di un oggetto, la spettroscopia può rompere l’ambiguità, mostrando quali insiemi di linee e quali lunghezze d’onda corrispondono all’oggetto in questione.
Perché il James Webb non ha (ancora) infranto il record di distanza cosmica
Ad oggi, ci sono ancora almeno una dozzina di galassie candidate note che potrebbero battere l’attuale record di distanza cosmica se i dati spettroscopici fossero disponibili. Tuttavia, con solo redshift fotometrici su cui basarsi, nessuna di queste dovrebbe essere considerata attendibile. È anche possibile che, quando il James Webb effettuerà osservazioni a lungo termine, verranno rivelate delle galassie fotometriche candidate ancora più deboli e distanti, e che queste potrebbero superare tutti i record cosmici attuali. È importante ricordare che siamo solo a due anni dall’inizio della vita del telescopio spaziale, con circa due decenni ancora di osservazioni che ci aspettano. Con ogni nuova galassia e ogni nuovo record, stiamo acquisendo conoscenze basate sui dati su aspetti dell’Universo primordiale che, solo due anni fa, erano solo una questione di speculazione teorica.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo “Why hasn’t JWST broken the cosmic distance record by more?” su Big Think.
