Il James Webb Telescope ha avvistato una luce antica… che non dovrebbe esistere

Le osservazioni del telescopio di sorgenti luminose precedenti alla formazione delle prime galassie sollevano nuovi interrogativi sulle nostre origini galattiche. Così, alcuni ricercatori propongono che possano essere buchi neri primordiali
di Conor Feehly/Scientific American
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Dal suo lancio a fine 2021, il James Webb Space Telescope (JWST) ha intravisto alcune delle prime epoche del tempo cosmico. Le sue osservazioni hanno allungato le tempistiche dei cosmologi su quando le galassie potrebbero aver iniziato a formarsi. Ora alcune delle osservazioni più lontane del telescopio hanno rivelato fonti di luce blu ultravioletta provenienti da un’epoca in cui le stelle non dovevano ancora esistere.

Le osservazioni indicano nove nuove sorgenti luminose, di cui sei a redshift 17 e tre a redshift 25, quando l’universo aveva solo da 200 a 100 milioni di anni di età. “È il più profondo per pochi fattori rispetto a qualsiasi altro dato ottenuto da JWST nell’intera missione”, afferma Pablo G. Pérez-González, astrofisico al Centro di Astrobiologia di Madrid. È l’autore principale di un preprint che riporta i risultati e che è stato accettato per la pubblicazione sull'”Astrophysical Journal”.

“Se dovessimo confermare che si trovano davvero a quei redshift, allora l’universo è stato molto, molto più attivo nei primi 200 milioni di anni” di quanto gli astronomi pensassero, afferma Pérez-González.

Se è corretto, i nuovi oggetti avvistati non si limitano ad ampliare la cronologia della formazione delle galassie all’indietro nel tempo fino a un periodo di molto precedente, ma si pongono in diretto contrasto con i migliori modelli cosmologici degli astronomi su quando le stelle hanno iniziato a formarsi durante l’alba cosmica. Per questo motivo, un altro gruppo di astronomi ha avanzato un’ipotesi per dare un senso a queste sconcertanti scoperte. Hanno proposto che i buchi neri “primordiali” creati subito dopo il big bang possano aver illuminato l’universo prima delle prime stelle. Il loro studio preprint è stato accettato per la pubblicazione sulla rivista “Astronomy & Astrophysics”.

“Se le stelle non possono spiegare la fonte della luminosità e dei numeri che vediamo, deve essere qualcos’altro a produrre la luce”, afferma Andrea Ferrara, astrofisico alla Scuola normale superiore (SNS) di Pisa e coautore del primo lavoro. “Non può che trattarsi di un buco nero primordiale.”

In altre parole, è possibile che i primi oggetti a illuminare l’universo primordiale non fossero stelle, ma piuttosto buchi neri affamati che sono esplosi pochi secondi dopo il big bang stesso.

Il problema delle prime galassie
Quanto più lontano scrutiamo i nostri orizzonti cosmici, tanto più indietro nel tempo vediamo. E poiché l’universo stesso si sta espandendo, la luce che viaggia da sorgenti estremamente distanti ha allungato la sua lunghezza d’onda fino alla parte infrarossa dello spettro elettromagnetico. Questo fenomeno è quello che gli astrofisici chiamano redshift. Più alto è il redshift di un oggetto distante, quindi, più lontano nel tempo si sta guardando.

Prima del JWST, la galassia con il più alto redshift confermato che gli astronomi avessero osservato era a redshift 9, quando l’universo aveva tra i 600 e i 500 milioni di anni. Per i primi due anni dopo il lancio, JWST ha dedicato una parte significativa del suo tempo a confermare le galassie precedentemente identificate e osservate dal telescopio spaziale Hubble.

Variabili come la concentrazione di materia oscura – una fonte gravitazionale invisibile che supera di sei volte la materia visibile nell’universo – e le condizioni necessarie per la formazione delle stelle forniscono ai cosmologi alcuni vincoli per determinare un calendario approssimativo dell’evoluzione delle galassie nell’universo primordiale. Ma dopo l’estate 2022, quando JWST ha iniziato a rivelare candidati galattici in epoche precedenti, gli astronomi hanno iniziato a capire che qualcosa non aveva più senso.

“JWST sta trovando troppe galassie troppo massicce e troppo precoci nell’universo”, afferma l’astrofisica Allison Kirkpatrick dell’Università del Kansas, specializzata nell’evoluzione delle galassie e non coinvolta nei nuovi studi.

A oggi, le più antiche galassie confermate osservate dal JWST si trovano a redshift 14, quando l’universo aveva solo 300 milioni di anni. “L’idea era quindi andare oltre, a redshift 15 e oltre”, spiega Pérez-González, “alla ricerca delle primissime galassie mai formatesi.”

La segnalazione del suo gruppo di nove nuovi oggetti a redshift ancora più elevati dovrà essere confermata. Per determinare se gli oggetti sono così lontani come sembrano, gli astronomi devono scomporre la loro luce in specifiche lunghezze d’onda in un processo chiamato spettroscopia.

Attingendo ai dati raccolti dalla NIRCam (Near Infrared Camera) del JWST nel corso di due indagini di imaging, Pérez-González e il suo gruppo hanno identificato le nuove galassie candidate da un gruppo di oltre 80.000. Dopo aver acquisito immagini di una regione del cielo con filtri diversi per più di 100 ore, gli astronomi sono stati in grado di identificare le galassie a diverse luminosità e di selezionare i candidati più promettenti per ulteriori osservazioni. L’aver gettato un’ampia rete significa che il loro campione ha meno probabilità di essere falsato prima di fare uno zoom sugli oggetti lontani più interessanti.

Le galassie sospette che Pérez-González e il suo gruppo hanno trovato brillano di una luce blu brillante nella gamma ultravioletta dello spettro, esattamente la luce che secondo gli astronomi avrebbero prodotto le prime stelle massicce. Il problema di questo scenario, tuttavia, è che i modelli di evoluzione delle galassie hanno difficoltà a produrre stelle in fasi così precoci dello sviluppo dell’universo. È dubbio che questo lasso di tempo avrebbe consentito al gas di raffreddarsi e di riunirsi in nubi sufficientemente grandi da collassare gravitazionalmente nella prima generazione di stelle.

“Le galassie non possono formarsi rapidamente perché il gas nell’universo primordiale è molto caldo e impedisce il collasso in galassie e stelle”, spiega Kirkpatrick. “Invece la struttura della materia oscura cresce per prima, e l’immensa gravità convoglia il gas verso il centro per far crescere le prime stelle e galassie. Tutto questo richiede tempo, più di 100 milioni di anni.”

Buchi neri fin dall’inizio
Per ovviare a questo problema, Ferrara e i suoi collaboratori propongono che i buchi neri primordiali – una popolazione distinta di buchi neri che potrebbe essere emersa nei primi secondi dopo il big bang – consumassero gas nell’universo primordiale. Questa frenesia alimentare potrebbe aver rilasciato la luce che oggi rileviamo con il JWST in periodi precedenti alla formazione delle prime stelle. Stranamente, i buchi neri, non le stelle, potrebbero essere stati le prime fonti significative di luce nell’universo primordiale.

In genere, i buchi neri si formano quando le stelle massicce collassano dopo aver esaurito il carburante o quando una grande nube di gas collassa direttamente su se stessa, aggirando la fase stellare. I buchi neri primordiali, tuttavia, sono diversi. “Quello che proponiamo è che i buchi neri primordiali si siano formati da meno di un secondo a cinque secondi dopo il big bang”, spiega Ferrara. “Questi sono stati essenzialmente lì per sempre, fin dall’inizio.”

Inizialmente, questi buchi neri sarebbero stati piccoli, “non più grandi delle dimensioni di un atomo”, dice Kirkpatrick. Gli scienziati ritengono che nel primo secondo in cui l’universo, così come lo conosciamo, ha iniziato a esistere, un rapido periodo di espansione, noto come inflazione, ha fatto aumentare le dimensioni dello spazio di 35 ordini di grandezza, equivalenti a quelle di un atomo che si estende fino alle dimensioni del sistema solare. “Questo ha avuto molte conseguenze, tra cui la creazione di buchi neri molto piccoli”, spiega Kirkpatrick. Sebbene all’inizio fossero minuscoli, dopo 100 milioni di anni questi buchi neri potrebbero essersi gonfiati fino a raggiungere una massa pari a 10.000 volte quella del Sole, sospettano Ferrara e il suo gruppo.

Quando il gas si avvicina a un buco nero, si riscalda a temperature roventi e questa materia surriscaldata emette luce. Da lontano, potrebbe sembrare simile all’atmosfera di una stella. Per questo motivo, la differenza tra la spiegazione del buco nero primordiale e quella stellare, basata sugli attuali dati di imaging, è quasi impossibile da distinguere. Ma potrebbero esserci altri indizi.

Un modo per distinguere se queste sorgenti luminose sono buchi neri primordiali o stelle di prima generazione sarebbe quello di osservare le dimensioni delle galassie. Se appaiono più puntiformi, la spiegazione del buco nero primordiale avrebbe più senso, perché un buco nero massiccio è ancora piccolo rispetto a un’intera galassia. Ma se le sorgenti luminose sono diffuse ed estese, è più probabile che si tratti di stelle.

“Abbiamo quindi misurato le dimensioni e alcuni dei candidati, per quanto ne sappiamo con i dati in nostro possesso, sono puntiformi, ma non tutti. Alcuni sono estesi. Quindi forse il 30 per cento di essi è coerente con l’aspetto di un buco nero primordiale”, dice Pérez-González.

Al momento i dati non sono affatto definitivi. Poiché i buchi neri primordiali sono ipoteticamente presenti fin dall’inizio dell’universo, dovrebbero anche lasciare tracce nel fondo cosmico a microonde, un’istantanea dell’universo come esisteva 380.000 anni dopo il big bang. “Le nostre immagini delle mappe del fondo cosmico a microonde sono ancora un po’ troppo sfocate per poter vedere i dettagli della struttura fine che i buchi neri primordiali potrebbero aver introdotto”, dice Ferrara.

Per ora, una risposta definitiva è ancora lontana. La possibile presenza di buchi neri primordiali potrebbe tuttavia dare un senso a un altro enigma cosmologico: l’esistenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie in epoche precoci. “Non abbiamo ancora dimostrato come si formino i primi semi di buchi neri supermassicci, e questo potrebbe essere un percorso. Ciò aiuterebbe a risolvere alcune tensioni con le osservazioni del JWST e i modelli cosmologici”, afferma Kirkpatrick.

“Queste osservazioni sono difficili e stiamo spingendo JWST al suo limite”, dice Ferrara. “Dobbiamo stare attenti perché forse queste galassie potrebbero rivelarsi contaminazioni o galassie di più basso redshift o qualcos’altro.” Ma se questi misteriosi fari neri abbiano superato le prime stelle è una domanda a cui potremmo presto avere una risposta.