La cosmologia ai tempi del Jwst

Dopo un’attesa di oltre vent’anni, l’11 e il 12 luglio scorso la Nasa ha diffuso le prime immagini a colori ottenute con il telescopio spaziale James Webb (James Webb Space Telescope, Jwst). Un evento eccezionale, soprattutto per i molti astronomi che ancora ricordano la delusione e l’imbarazzo quando nel 1993 furono diffuse le prime immagini sfocate del telescopio spaziale Hubble (Hst), la cui ottica era affetta da un difetto di aberrazione sferica che ne comprometteva le capacità.
Le prime cinque immagini del Jwst riguardano la nebulosa planetaria NGC 3132 (nota anche come Nebulosa Anello del Sud), le galassie del Quintetto di Stephan, il primo piano della Nebulosa Carina (una regione dove si formano nuove stelle), lo spettro dell’atmosfera del pianeta extrasolare WASP-96b e soprattutto l’immagine profonda della regione di cielo intorno all’ammasso SMACS 0723 con le galassie più lontane mai osservate finora (vedi figura 1). A parte lo spettro dell’atmosfera del pianeta WASP-96b, si tratta di sistemi celesti già osservati da Hst: il confronto avuto ha lo scopo di verificare le prestazioni del telescopio e degli strumenti e di dimostrare i vantaggi del nuovo telescopio che sta aprendo un nuovo capitolo nella storia dell’astronomia, soprattutto per lo studio delle origini delle galassie e dei pianeti extrasolari.

Casuale ma profondo

L’immagine profonda dell’ammasso SMACS 0723 ha portato alle prime sorprendenti scoperte scientifiche. SMACS 0723 è un ammasso di galassie, un sistema gravitazionalmente legato che comprende centinaia di galassie, distante 4.2 miliardi di anni luce dalla Terra. Questo ammasso è stato scelto perché il suo intenso campo gravitazionale devia e amplifica la luce proveniente dalle galassie di fondo, agendo come una “lente gravitazionale”, in accordo con le previsioni della relatività generale di Einstein. Nella figura 2 si notano numerosi “archi gravitazionali”, immagini di galassie lontane che possiamo vedere in dettaglio grazie a questo fenomeno ottico di origine gravitazionale.

La fotografia è il risultato di 12.5 ore di esposizione con la Near-Infrared Camera (NIRCam), in tre diverse bande, combinate insieme per dare l’immagine a colori visibile in figura 1. Al centro ci sono le galassie più luminose e massicce dell’ammasso ma lo spettacolo dell’immagine è dato soprattutto dalla moltitudine di piccole galassie lontane, come mostra nel dettaglio la figura 3.

Gli astronomi chiamano questo tipo di immagini, ottenute sommando osservazioni raccolte per molte ore di una piccola regione di cielo, un “campo profondo”. Un campo profondo è un vero e proprio tuffo nelle profondità dello spazio e del tempo. Tutte le piccole sorgenti luminose sono galassie lontane, nelle prime fasi della loro formazione. Il primo campo profondo fu l’Hubble Deep Field (HDF) ottenuto nel 1995 da HST. Nel 1995, Bob Williams, direttore dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, il centro operativo di Hst e Jwst, aveva deciso di dedicare tutte le cento ore del “tempo discrezionale del direttore” puntando il telescopio semplicemente verso il nulla, verso una piccola regione di cielo, 150 volte più piccola della Luna, apparentemente vuota di stelle e galassie. L’idea era osservare “il più lontano possibile,” catturando le immagini di galassie al di fuori della portata dei telescopi meno sensibili. Era una scommessa e per molti uno spreco: i teorici assicuravano che non si sarebbe trovato nulla di interessante spingendosi lontano nello spazio e indietro nel tempo. Tutti erano convinti che le galassie si fossero formate solo di recente nella storia dell’Universo. Le cento ore di esposizione svelarono un tesoro inatteso: l’anonimo angolo di cielo era affollato da migliaia di galassie. Il campo profondo dimostrava che le galassie si erano formate molto prima del previsto e che la loro evoluzione era stata drammatica: da piccoli sistemi irregolari, erano aumentate in dimensione attraverso fusioni reciproche fino a diventare le galassie che vediamo oggi nell’Universo vicino. Da allora, i campi profondi sono stati fondamentali per studiare le giovani galassie dell’Universo primordiale e la loro evoluzione. L’Hdf e il successivo Hubble Ultra Deep Field sono stati tra i maggiori successi scientifici dell’Hst e allo stesso tempo uno dei motivi della realizzazione del Jwst. I campi profondi di Hubble hanno permesso di osservare galassie presenti nell’Universo circa mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang. Ma a circa 500 milioni di anni dopo il Big Bang ci sono le colonne d’Ercole oltre le quali l’Hst non poteva spingersi. Il motivo è dato dall’espansione del cosmo. La luce delle prime galassie giunge a noi spostata verso l’infrarosso a causa dell’espansione del cosmo che dilata le onde elettro-magnetiche che lo attraversano. L’Hst è un eccezionale strumento per osservazioni ottiche, ma per spingersi fino alle prime galassie è necessario un telescopio spaziale come il Jwst ottimizzato per osservare nell’infrarosso. Che cosa potremo vedere quando il Jwst accumulerà centinaia di ore di osservazione sulla stessa regione di cielo, invece delle dodici impiegate per questa prima fotografia? Le immagini delle galassie distanti nel primo campo profondo del Jwst sembrano suggerire che dobbiamo rivedere completamente molto di quello che sappiamo sulla formazione delle prime galassie. Meno di una settimana dopo la diffusione delle immagini, arXiv (sito: arxiv.org), l’archivio contenente i “pre-print” degli articoli scientifici, è stato inondato di lavori che affermavano di aver trovato galassie corrispondenti a un’epoca tra i quattrocento e i duecento milioni di anni dopo il Big Bang. La sorpresa era che queste galassie sembrano essere molto più numerose e massive rispetto a quanto atteso secondo il modello cosmologico standard che descrive l’evoluzione dell’Universo. Pochi, insomma, si aspettavano che galassie così grandi si formassero così presto nella storia dell’Universo. Uno degli oggetti più interessanti trovati nella prima fotografia del Jwst è un sistema di cinque giovani galassie, denominato dagli autori “la catena dei cinque” (figura 3). Non è possibile dire al momento se si tratta di oggetti fisicamente associati: se così fosse, sarebbe il sistema di galassie più luminoso finora conosciuto nell’Universo primordiale. Sarà interessante effettuare osservazioni spettroscopiche nel prossimo futuro e scoprire la loro natura. L’impatto scientifico e culturale del Jwst è paragonabile a quello del cannocchiale di Galileo e a quello dell’Hst. Il cannocchiale di Galileo è il simbolo della rivoluzione scientifica del Seicento. Con la scoperta dei satelliti di Giove e delle fasi di Venere portò la prima conferma del modello eliocentrico e l’osservazione delle stelle della Via Lattea ampliò a dismisura l’universo conosciuto. L’Hst ha segnato il passaggio della cosmologia da scienza quasi solo speculativa a scienza empirica. Prima del Hst sapevamo ben poco ad esempio dell’evoluzione delle galassie e dei buchi neri al centro delle galassie. Ora, Jwst proverà a cercare le tracce indirette della vita nelle atmosfere di pianeti simili alla Terra, in orbita intorno ad altre stelle, e a svelare i segreti delle prime galassie formatesi poco dopo il Big Bang. La sensazione nella comunità astronomica internazionale è che si sia aperto un nuovo capitolo nella storia dell’astronomia.