L’equipe dell’astrofisico Nicolas Laporte, dell’University College di Londra, ha rilevato in una lontana galassia polvere stellare risalente a quando l’universo aveva solo 600 milioni di anni. “Probabilmente Stiamo vedendo la prima materia stellare dell’universo“, ha spiegato Laporte.
Queste osservazioni, pubblicate online l’8 marzo 2017 su Astrophysical Journal Letters, potrebbero aiutare gli astronomi a saperne di più sul periodo primordiale noto come reionizzazione cosmica, quando la radiazione ultravioletta strappò elettroni da atomi di idrogeno.
“La materia stellare è onnipresente in galassie vicine e lontane, ma, fino a poco tempo fa, era difficile rilevarne di risalente all’universo primordiale”, è il commento dell’astrofisico Michal Michalowski dell’Università di Edimburgo, non coinvolto nello studio. “Questa scoperta ci evidenzia la più lontana galassia nella quale questa materia è stata rilevata.”
La galassia, chiamata A2744_YD4, si trova dietro l’ammasso di galassie Abell 2744. Questo gruppo agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo e illuminando la luce della galassia più lontana di circa un fattore due. Laporte e colleghi hanno osservato la galassia con ALMA, l’Atacama Large Millimeter Array / submillimeter in Cile, che ha rivelato la materia.
Le osservazioni del GRAVITY ASSIST di ALMA rivelano che la galassia A2744_YD4 è ricca di materia stellare primordiale. Lo studio è stato possibile grazie all’effetto lente generato dal cluster di galassie Abell 2744, ripreso in un’immagine del Telescopio Spaziale Hubble.
La materia stellare polverizzata individuata in una galassia così remota deriva da esplosioni di supernova di stelle massicce tra le prime nate nell’universo. Gli astronomi stimano che le prime stelle si siano formate all’incirca 400 milioni di anni dopo il Big Bang, avvenuto 13,8 miliardi di anni fa. Laporte e colleghi stimano la polvere cosmica di A2744_YD4 a circa 600 milioni di anni dopo il Big Bang, con un peso complessivo di circa 6 milioni di volte la massa del sole. “Questo significa che le esplosioni delle supernovae sono in grado di produrre grandi quantità di polvere molto rapidamente“, dice Michalowski.
Il gruppo di Laporte ha rilevato anche atomi di ossigeno carichi positivamente, o ionizzati, e una firma di idrogeno, che suggeriscono che il gas della galassia sia ionizzato.
La reionizzazione Cosmica ha completamente rivoluzionato l’universo tanto che lo spazio è pervaso di atomi ionizzati molto più che di atomi neutri. La comprensione di questo passaggio da atomi neutri a ionizzati ci fornisce indizi su come stelle e galassie siano sorte nell’universo primordiale. Trovare ossigeno ionizzato in una galassia così remota “fornisce la prova che almeno una frazione di reionizzazione cosmica è stata causata da galassie come A2744_YD4“, ha concluso Michalowski.
Fino ad oggi, gli astronomi hanno tracciato la storia antica delle galassie contandole e guardando i loro colori. La scoperta di polvere stellare primordiale nell’universo remoto offre una nuova via per determinare quando le prime galassie si formarono sulla base dell’abbondanza di ossigeno, silicio e altri elementi più pesanti. Galassie con minore concentrazione di elementi pesanti sarebbero più giovani rispetto ad altre con una concentrazione maggiore.
La rilevazione di ossigeno ionizzato potrebbe anche suggerire che un buco nero si annidi al centro di A2744_YD4. l’ossigeno ionizzato potrebbe essere difficile da generare per giovani stelle calde. Probabilmente, sarà necessario tenere conto di un’altra forte sorgente di radiazioni ionizzanti, come ad esempio un buco nero, per giustificare tali concentrazioni. “Purtroppo con una sola riga di emissione non possiamo essere sicuri che ci sia un buco nero nella A2744_YD4“, ha chiarito Ellis.
Reionizzazione cosmica
Come riferisce il sito Mediainaf, con il termine “epoca della reionizzazione” (nello schema qui sotto, reionisation) si intende il periodo in cui il gas primordiale, di cui è pervaso l’universo nelle prime fasi della sua evoluzione, passa dallo stato neutro a quello ionizzato.
Visualizzazione schematica delle tappe principali del Big Bang. L’universo è composto da gas neutro a 400mila anni dopo il Big Bang, e la radiazione delle prime stelle inizia a re-ionizzare l’idrogeno. Dopo diverse centinaia di milioni di anni l’universo è completamente ionizzato. Crediti: Osservatorio astronomico nazionale del Giappone (Naoj)
Secondo il modello del Big Bang, nelle fasi iniziali l’universo è caldo e denso, al punto che le particelle fondamentali formano quella che viene definita una “zuppa cosmica”, ovvero un tutt’uno in cui particelle subatomiche e fotoni sono del tutto indistinguibili. I fotoni viaggiano venendo continuamente assorbiti e riemessi da altre particelle, togliendoci ogni possibilità di accedere a queste prime fasi dell’evoluzione dell’universo. Ci vogliono circa 380mila anni perché l’universo, espandendosi e raffreddandosi, permetta a elettroni e protoni di accoppiarsi e formare atomi neutri. A questo punto anche i fotoni sono liberi di muoversi e arrivare fino a noi, fornendoci la prima fotografia dell’universo che si possa sperare di ottenere: la radiazione cosmica di fondo, o Cmb.
Mentre i fotoni intraprendono il loro primo viaggio “libero” per l’universo, elettroni e protoni si combinano. L’elettrone bilancia la carica positiva del protone, formando un gas neutro costituito essenzialmente da atomi di idrogeno. Il gas si addensa sempre di più per effetto della gravità, e l’universo piomba ancora nel buio, in quella che viene definita l’età oscura. In questa fase, infatti, ogni fotone emesso viene assorbito dal gas neutro.
Lentamente, le regioni che si sono addensate maggiormente per effetto della gravità iniziano a formare stelle, galassie e quasar. Il meccanismo attraverso il quale stelle e galassie iniziano a formarsi è ancora poco conosciuto, ed è oggetto di intense ricerche.
Secondo le teorie attuali, la radiazione emessa dalle prime stelle ha un’energia sufficiente per slegare l’elettrone dall’atomo di idrogeno – quel processo noto in chimica come ionizzazione. Il fotone viene assorbito dall’atomo, e l’elettrone viene slegato. Ha inizio quella che viene chiamata l’epoca della re-ionizzazione.
Non tutto il gas viene ionizzato nello stesso momento. Le prime regioni ad essere ionizzate sono quelle che si trovano vicino alle sorgenti di energia necessarie per la ionizzazione – le prime stelle e le prime galassie, appunto. Col passare del tempo, una quantità sempre maggiore del gas viene ionizzata, e a questo punto la radiazione emessa dalle stelle non viene più assorbita dal gas, e può propagarsi nell’Universo ed essere rilevata oggi da osservazioni ottiche e infrarosse. Circa un miliardo di anni dopo il Big Bang la ionizzazione è completa e l’età scura dell’Universo può dirsi conclusa.
