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Hanno lasciato di stucco il mondo intero, ma cosa significano davvero per la scienza queste straordinarie fotografie? Cosa ci sveleranno in futuro?
Gli addetti ai lavori aspettavano queste foto con impazienza: il telescopio spaziale Webb avrebbe dovuto essere in orbita già da molto tempo (secondo quanto era stato pianificato al momento della progettazione), ma una serie di ritardi tecnici, politici e logistici hanno rimandato il lancio prima al 2018, poi al 2020 e infine al 2021.
Adesso, finalmente, gli astronomi hanno di che gioire: le aspettative e l’attesa sono state ampiamente ripagate, grazie alle straordinarie immagini che lo strumento ha catturato e che hanno fatto subito il giro del mondo, lasciando attoniti anche i non esperti: il confronto con la risoluzione del suo predecessore, Hubble, è impietoso, facendo scordare che proprio lo stesso telescopio, 30 anni fa, sbalordì tutti in modo ancora più sorprendente, dato che mai si erano viste immagini così nitide, dettagliate e inedite di oggetti spaziali.
Quella fu la vera, prima rivoluzione della fotografia astronomica. Ma i tempi erano diversi, non c’era internet e le immagini rimasero a lungo appannaggio di pochi esperti e appassionati. Oggi invece chiunque può vedere e rendersi conto delle meraviglie del cosmo e dei progressi tecnologici che ci permettono di osservarle così finemente.
Però, sono in molti a chiedersi: ma che cosa ha fotografato Webb di preciso e qual è il significato scientifico di quelle immagini? Ecco, qui cerchiamo di dare una semplice spiegazione.
La prima immagine rilasciata dalla Nasa ci mostra un una distesa di galassie, di tutte le forme e colori, un variopinto zoo di oggetti che ci fanno di primo acchito pensare all’immensità dell’universo e alle sue sterminate dimensioni. Non la riproponiamo, bensì mettiamo quella con alcuni dettagli in più forniti dagli astronomi.
L’immagine mostra l’ammasso di galassie chiamato SMACS 0723 come appariva 4,6 miliardi di anni fa: questo perché si trova alla ragguardevole distanza di 4,6 miliardi di anni luce e questo è appunto il tempo che occorre alla radiazione elettromagnetica per giungere fino a noi da quella distanza.
Ed è proprio dall’analisi di questa radiazione che gli astrofisici traggono informazioni dettagliate. Infatti, in questo caso, si sono concentrati non sull’ammasso di galassie, ma su quelle che vi sono dietro, più lontane e quindi più vecchie, alcune risalenti quasi agli albori dell’universo stesso, fino a 13,1 miliardi di anni fa.
La massa combinata di SMACS 0723 agisce infatti come una lente gravitazionale, ingrandendo galassie molto più distanti dietro. Che significa? In parole povere: sappiamo, dalla teoria della relatività generale, che la massa di un qualsiasi oggetto curva la struttura dello spazio tempo. Più è pesante l’oggetto, più la distorsione è grande.
E poiché la luce viaggia seguendo la struttura dello spazio tempo, se questo si incurva anch’essa lo farà. In questo modo, per esempio, è possibile vedere stelle che si trovano dietro al Sole (durante le eclissi), perché la sua massa ha “piegato” lo spazio tempo e la luce emessa da quelle stelle nascoste ci arriva comunque.
La NIRCam di Webb ha messo a fuoco le galassie lontane dietro l’ammasso: hanno strutture minuscole e deboli che non sono mai state viste prima, inclusi ammassi stellari e caratteristiche diffuse.
Il telescopio Webb della NASA ha a bordo anche l’array di microshutter del Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec): questo strumento ha più di 248.000 piccole porte che possono essere aperte individualmente per raccogliere luce fino a circa 150 singoli oggetti contemporaneamente.
Delle migliaia di galassie distanti dietro l’ammasso di galassie SMACS 0723, NIRSpec ne ha osservate 48 individualmente – tutte allo stesso tempo – in un campo che ha all’incirca le dimensioni di un granello di sabbia tenuto a distanza di un braccio.
Dicevamo sull’analisi della luce, cioè dello spettro elettromagnetico emesso da queste remote galassie: Webb è specializzato nel raccogliere la luce nel vicino infraosso, cosa che i telecopi terrestri non possono fare, perché queste lunghezze d’onda (di pochi millesimi di millimetro, o micron) sono bloccate dall’atmosfera del nostro pianeta. Nello spazio invece, dove non c’è (quasi) nulla, viaggiano indisturbate e possono eseere quindi facilmente rilevate.
L’immagine ci fa vedere tre linee che appaiono nello stesso ordine ogni volta: una linea di idrogeno seguita da due linee di ossigeno ionizzato. Questo in pratica indica lo spostamento verso il rosso delle singole galassie, rivelando quanto tempo fa è stata emessa la loro luce.
Che vuol dire? Ogni elemento chimico emette (o assorbe) luce a particolari lunghezze d’onda quando è stimolato con opportuna energia. Analizzando quindi lo spettro di emissione (o assorbimento) dei suoi costituenti si può risalire dunque alla composizione chmica dell’oggetto.
Ma c’è di più. Se l’oggetto si sta muovendo rispetto a noi, le lunghezze d’onda caratteristiche dei suoi elementi si modificano, cambiando colore: diventano cioè più arrossate se l’oggetto si avvicina e più blu se si allontana. questo fenomeno è conosciuto come redshift, o spostamento verso il rosso.
Ora, siccome fu l’astronomo Hubble a scoprire che più una galassia è distante da noi, più aumenta la sua velocità con cui si allontana, è possibile risasilre dal redshift alla distanza e quindi all’età delle galassie osservate.
La spiegazione? Perché l’universo si sta espandendo con velocità crescente, quindi gli oggetti primordiali si stanno allontanando da noi sempre più e sempre pià velocemente, tanto che un giorno (molto nel futuro) non ci giungerà più la loro luce e saranno quindi invisibili.
La luce proveniente dalla galassia più lontana mostrata ha viaggiato 13,1 miliardi di anni prima che gli specchi di Webb la catturassero. È la prima volta che queste particolari linee di emissione sono state viste a distanze così immense, e queste sono solo le osservazioni iniziali di Webb: potrebbero esserci galassie ancora più distanti in questa immagine.
In questi spettri, Webb ci ha anche mostrato per la prima volta la composizione chimica delle galassie nell’universo primordiale.
E poiché spettri simili da galassie a distanze più ravvicinate sono stati a lungo studiati da altri osservatori spaziali e terrestri, gli astronomi sanno già molto sulle proprietà delle galassie vicine. Ora, gli astronomi saranno in grado di studiare e confrontare gli spettri di Webb per determinare come le galassie sono cambiate nel corso di miliardi di anni dall’universo primordiale.
Con i dati di Webb, i ricercatori possono ora misurare la distanza, la temperatura, la densità del gas e la composizione chimica di ogni galassia.
Il Quintetto di Stephan è un raggruppamento visivo di cinque galassie situate nella costellazione di Pegaso. Insieme, sono anche conosciuti come Hickson Compact Group 92 (HCG 92). Sebbene chiamate “quintetto”, solo quattro delle galassie sono veramente vicine tra loro e coinvolte in una danza cosmica. La quinta (e più a sinistra) galassia, chiamata NGC 7320, è in realtà molto più vicina rispetto alle altre quattro.
Gruppi ristretti come questo potrebbero essere stati più comuni nell’universo primordiale quando il loro materiale surriscaldato e in caduta potrebbe aver alimentato buchi neri molto energetici chiamati quasar.
Ancora oggi, la galassia più in alto del gruppo – NGC 7319 – ospita un nucleo galattico attivo, un buco nero supermassiccio 24 milioni di volte la massa del Sole. Sta attivamente attirando materiale ed emette energia luminosa equivalente a 40 miliardi di Soli.
Gli scienziati che utilizzano il James Webb Space Telescope della NASA hanno studiato il nucleo galattico attivo in grande dettaglio con lo spettrometro a media risoluzione (MRS) che fa parte dello strumento nel medio infrarosso (MIRI).
Lo spettrometro è dotato di unità di campo integrale (IFU), una combinazione di una telecamera e di uno spettrografo. Queste IFU hanno fornito al team webb un “cubo di dati”, o raccolta di immagini delle caratteristiche spettrali del nucleo galattico.
Utilizzando le IFU, gli scienziati possono misurare le strutture spaziali, determinare la velocità di tali strutture e ottenere una gamma completa di dati spettrali. Proprio come la risonanza magnetica in ambito medico, le IFU consentono agli scienziati di “tagliare” le informazioni in molte immagini per uno studio dettagliato.
MIRI ha “perforato” la struttura di polvere vicino al nucleo galattico attivo per misurare l’emissione luminosa dal gas caldo vicino che viene ionizzato da potenti venti e radiazioni dal buco nero. Lo strumento ha osservato il gas vicino al buco nero supermassiccio ad un livello di dettaglio mai visto prima, ed è stato in grado di determinarne la composizione.
Quando un buco nero supermassiccio si nutre, parte del materiale in caduta diventa molto caldo e viene spinto lontano dal buco nero sotto forma di venti e getti. MIRI ha sondato molte regioni diverse, tra cui il vento in uscita del buco nero – indicato dal cerchio più piccolo – e l’area immediatamente intorno al buco nero stesso – indicata dal cerchio più grande. Ha dimostrato che il buco nero è avvolto in polvere di silicio simile alla sabbia della spiaggia, ma con grani molto più piccoli.
Lo spettro superiore, dal deflusso del buco nero, mostra una regione piena di gas caldi e ionizzati, tra cui ferro, argon, neon, zolfo e ossigeno come indicato dai picchi a determinate lunghezze d’onda. La presenza di più linee di emissione dallo stesso elemento con diversi gradi di ionizzazione è preziosa per comprendere le proprietà e le origini del deflusso.
Lo spettro inferiore rivela che il buco nero supermassiccio ha un serbatoio di gas più freddo e denso con grandi quantità di idrogeno molecolare e polvere di silicio che assorbono la luce dalle regioni centrali della galassia.
Crediti: NASA, ESA, CSA, STScI
