La Galassia che Illuminò l’Oscurità Primordiale

La Galassia che Illuminò l’Oscurità Primordiale

Gli astronomi stanno penetrando nei più remoti recessi dell’Universo, arrivando a osservare galassie estremamente distanti, come si presentavano circa 13 miliardi di anni fa. Ora un team di ricercatori riferisce la scoperta di un’antica galassia in grado di reionizzare il gas circostante, liberando dalle nebbie oscure l’Universo primordiale insieme alle sue compagne.

Le prime stelle a risplendere nell’Universo, forgiate dalla materia emersa dal Big Bang, erano composte soltanto di idrogeno, elio e poco litio, gli unici elementi esistiti prima che i processi di fusione nucleare creassero elementi più pesanti, come ossigeno, azoto, carbonio e ferro. A quell’epoca gran parte dell’Universo era ancora avvolto in una nebbia opaca di freddo idrogeno gassoso. Quando si formarono sempre più stelle e galassie, la loro radiazione permise la ionizzazione dell’idrogeno intergalattico, liberando in questo modo dalle nebbie oscure l’Universo che osserviamo oggi.

Subito dopo il Big Bang, in effetti, l’Universo assomigliava a una zuppa cosmica di particelle calde ed estremamente energetiche. Dopo un’epoca, a cui spesso ci si riferisce come età oscura, in cui l’Universo era ricco di idrogeno neutro e privo di sorgenti luminose, si iniziarono a formare stelle e galassie, tanto da permettere ad un certo punto alla luce di filtrare attraverso la nebbia per ionizzare l’idrogeno neutro, dando il via all’epoca della reionizzazione. La ionizzazione è il processo per cui la radiazione stellare strappa via gli elettroni dagli atomi del gas diffuso. Tuttavia, per ionizzare l’idrogeno intergalattico, la radiazione ad alta energia emessa dalle prime stelle deve essere sfuggita dalle galassie ospiti, senza venire assorbita dal materiale interstellare. I dettagli di questo processo primordiale rimangono un mistero.

Nell’immagine la posizione della galassia primordiale individuata dal telescopio Hubble. Nei riquadri a destra è visibile la galassia osservata con vari filtri. La mancata rilevazione nei primi tre riquadri, seguita dalla presenza dell’oggetto in tutti i filtri successivi nel rosso è una tipica indicazione del fatto che la galassia è molto distante Credit: NASA, ESA, Z. Levay (STSci)

Studiare le prime galassie che si sono formate oltre 13 miliardi di anni fa è essenziale per comprendere le origini dell’Universo che conosciamo. Gli scienziati ritengono che il processo di reionizzazione dell’idrogeno si sia completato circa 13 miliardi di anni fa, durante il primo miliardo di anni del cosmo, quando erano già presenti bolle diffuse di gas ionizzato che gradualmente crescevano e si sovrapponevano. Ma quali oggetti primordiali potrebbero aver creato queste bolle gigantesche? È importante arrivare a comprendere la natura degli oggetti che hanno fornito i fotoni ionizzanti e lo scenario in cui le galassie e il loro mezzo interstellare sono stati arricchiti da atomi creati nelle fornaci stellari. Esistono questioni da chiarire relative a quali oggetti abbiano contribuito maggiormente al processo di reionizzazione, se giovani galassie in primo luogo, o anche buchi neri e lampi di raggi gamma.

Secondo gli scienziati, le sorgenti principali di ionizzazione potrebbero essere state le galassie primordiali: una popolazione numerosa di deboli galassie in grado di rilasciare il 10 percento dei loro fotoni energetici, oppure un insieme di poche galassie luminose capaci di emettere una percentuale molto maggiore di fotoni ionizzanti, superiore al 50 percento. In entrambi i casi, queste prime galassie erano molto differenti da quelle che oggi conosciamo: in effetti, le galassie dell’Universo locale sono in grado di rilasciare una quantità di fotoni ionizzanti inferiore al 2-3 percento.

Per scoprire quali le galassie siano state in grado di dirigere la reionizzazione, gli astronomi possono rilevare la radiazione emessa dell’idrogeno ionizzato nel mezzo intergalattico, individuando galassie la cui luce brilla nella riga Lyman-alfa (un tipo di radiazione prodotta dall’idrogeno nel campo ultravioletto quando un elettrone passa da un livello eccitato di energia a quello fondamentale). Simili rilevazioni sono molto rare, perché le galassie così remote e antiche sono circondate da gas neutro che assorbe la firma dell’emissione dell’idrogeno. D’altro canto, il fatto di scoprire tale firma è un indizio della presenza di vaste bolle di gas ionizzato circostanti le giovani galassie. La dimensione della bolla e la luminosità della galassia determinano se quest’ultima sia la sola responsabile della formazione della bolla ionizzata, oppure se vi siano altre sorgenti nascoste.

Ora un team di ricercatori, guidato da Romain Meyer dell’University College, Londra (UCL), ha presentato al meeting annuale dell’European Astronomical Society (Eas) i risultati di un nuovo studio in via di pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Gli scienziati rivelano di aver individuato, grazie ai dati del telescopio Hubble e del Very Large Telescope dell’Eso, la firma dell’idrogeno intergalattico ionizzato dai fotoni emessi da una galassia estremamente distante, chiamata A370p_z1. Tale radiazione ha impiegato 13 miliardi di anni per raggiungere i nostri telescopi: ciò implica che già 800 milioni di anni dopo il Big Bang esisteva un insieme ridotto di galassie molto luminose in grado di rilasciare fotoni per illuminare l’età oscura del cosmo.

La brillante galassia,in effetti, è capace di ionizzare la sua bolla locale emettendo il 60-100 percento di fotoni ionizzanti. “Per la prima volta possiamo puntare a un oggetto responsabile della creazione di una bolla ionizzata, senza la necessità del contributo di galassie invisibili”, commenta Meyer. “Osservazioni aggiuntive con il futuro telescopio spaziale James Webb ci permetteranno di andare oltre, per studiare meglio un oggetto tra i principali sospettati per il caso irrisolto della reionizzazione cosmica”.

Nell’immagine rappresentazione artistica delle prime stelle che hanno arricchito di elementi pesanti il mezzo interstellare
Credit: ESA & Wolfram Freudling (STScI/ESO, Germany) https://easmeeting.kuoni-congress.org/2020/07/02/discovery-of-a-luminous-galaxy-reionizing-the-local-intergalactic-medium-13-billion-years-ago/