La macchina del tempo
Il telescopio spaziale James Webb è il capitolo successivo dell’astronomia dei telescopi spaziali. La missione JWST si basa sull’eredità della potente capacità di imaging del telescopio spaziale Hubble e sulla capacità del telescopio spaziale Spitzer di rilevare la luce oltre lo spettro visibile, nella gamma del medio infrarosso. Poiché la luce infrarossa viaggia attraverso dense nubi di gas che bloccano la luce visibile, il James Webb Space Telescope rivelerà regioni dell’universo precedentemente nascoste: galassie primordiali, pianeti in formazione, nane brune e molto altro.
Ma perchè occorre osservare l’universo in luce infrarossa? Perchè un telescopio a infrarossi è in grado di vedere le stelle e le galassie che si formarono circa 500 milioni di anni dopo ll Big Bang. La luce infrarossa ha il potere di essere molto più penetrante rispetto alla luce visibile, e è in grado di attraversare la grandi spessori di polvere e gas galattici e intergalattici.
L’universo primordiale. Dopo il Big Bang, l’universo era come una zuppa calda di particelle (quarks e guoni cioè i costituenti dei protoni, neutroni ed elettroni). Quando l’universo iniziò a raffreddarsi, quarks e gluoni iniziarono a condensarsi in i protoni e i neutroni e a loro volta iniziarono a combinarsi in atomi ionizzati di idrogeno (e infine un po’ di elio). Questi atomi ionizzati di idrogeno ed elio attraevano gli elettroni, trasformandoli in atomi neutri, il che consentiva alla luce di viaggiare liberamente per la prima volta, poiché questa luce non veniva più dispersa dagli elettroni liberi. L’universo non era più opaco! Tuttavia, ci vorrà ancora del tempo (forse fino a qualche centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang!) prima che le prime fonti di luce inizino a formarsi, ponendo fine ai secoli bui cosmici. Non si sa esattamente come apparisse la prima luce dell’universo (cioè le stelle che fondevano gli atomi di idrogeno esistenti in più elio), e esattamente quando si formarono queste prime stelle. Queste sono alcune delle domande a cui Webb è stato progettato per aiutarci a rispondere. Il JWST è una potente macchina del tempo con visione a infrarossi che scruta indietro di oltre 13,5 miliardi di anni per vedere le prime stelle e galassie formarsi dall’oscurità dell’universo primordiale.
Spostamento verso il rosso (red shift)
Immaginate la luce che lascia le prime stelle e galassie quasi 13,6 miliardi di anni fa e viaggia attraverso lo spazio e il tempo per raggiungere i nostri telescopi. Essenzialmente vediamo questi oggetti come erano quando la luce li lasciò per la prima volta 13,6 miliardi di anni fa. Nel momento in cui questa luce ci raggiunge, il suo colore o lunghezza d’onda è stato spostato verso il rosso, qualcosa che chiamiamo “spostamento verso il rosso”. Perché? In questo caso particolare è perché quando parliamo di oggetti molto distanti entra in gioco la Relatività Generale di Einstein. Ci dice che l’espansione dell’universo significa che è lo spazio tra gli oggetti che effettivamente si allunga, causando l’allontanamento degli oggetti (galassie) l’uno dall’altro. Inoltre, anche qualsiasi luce in quello spazio si allungherà, spostando la lunghezza d’onda di quella luce verso lunghezze d’onda più lunghe. Ciò può rendere gli oggetti distanti molto fiochi (o invisibili) alle lunghezze d’onda visibili della luce, perché quella luce ci raggiunge come luce infrarossa.
Redshift significa che la luce emessa da queste prime stelle e galassie come luce visibile o ultravioletta, viene effettivamente spostata verso lunghezze d’onda più rosse nel momento in cui la vediamo qui e ora. Per spostamenti verso il rosso molto elevati (cioè gli oggetti più lontani da noi), la luce visibile viene generalmente spostata nella parte del vicino e medio infrarosso dello spettro elettromagnetico. Per questo motivo, per vedere le prime stelle e galassie, abbiamo bisogno di un potente telescopio nel vicino e medio infrarosso, che è esattamente ciò che è JWST.
Domande chiave
Il JWST sta affrontando diverse domande chiave per aiutarci a svelare la storia della formazione di strutture nell’Universo come:
- Quando e come è avvenuta la reionizzazione?
- Quali fonti hanno causato la reionizzazione?
- Quando si sono formate le prime galassie?
L’era della ricombinazione
Fino a circa poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo era un luogo molto oscuro. Non c’erano stelle e non c’erano galassie.
Dopo il Big Bang, l’universo era come una zuppa calda di particelle (cioè protoni, neutroni ed elettroni). Quando l’universo iniziò a raffreddarsi, i protoni e i neutroni iniziarono a combinarsi in atomi ionizzati di idrogeno e deuterio. Il deuterio si fuse ulteriormente in elio-4. Questi atomi ionizzati di idrogeno ed elio attraevano gli elettroni trasformandoli in atomi neutri. In definitiva, la composizione dell’universo a questo punto era 3 volte più idrogeno che elio con solo tracce di altri elementi leggeri.
Questo processo di accoppiamento delle particelle è chiamato “Ricombinazione” e si è verificato circa 240.000-300.000 anni dopo il Big Bang. A questo punto l’Universo passò dall’essere opaco a trasparente. In passato alla luce era stato impedito di viaggiare liberamente perché spesso si disperdeva dagli elettroni liberi. Ora che gli elettroni liberi erano legati ai protoni, la luce non veniva più ostacolata. “L’era della ricombinazione” è il primo punto della nostra storia cosmica a cui possiamo guardare indietro con qualsiasi forma di luce. Questo è ciò che oggi vediamo come fondo cosmico a microonde con satelliti come il Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) e il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Successivamente ci sono i secoli bui cosmici, un periodo di tempo successivo alla trasparenza dell’Universo, ma prima che si formassero le prime stelle. Quando si formarono le prime stelle, finirono i secoli bui e iniziò l’epoca successiva nel nostro universo.
L’epoca della reionizzazione
Un altro cambiamento si verificò dopo che iniziarono a formarsi le prime stelle. La teoria prevede che le prime stelle fossero da 30 a 300 volte più massicce del nostro Sole e milioni di volte più luminose, bruciando solo per pochi milioni di anni prima di esplodere come supernova. L’energica luce ultravioletta proveniente da queste prime stelle era in grado di scindere gli atomi di idrogeno in elettroni e protoni (o ionizzarli). Quest’era, dalla fine dei secoli bui fino a quando l’universo aveva circa un miliardo di anni, è conosciuta come “l’epoca della reionizzazione”. Si riferisce al punto in cui la maggior parte dell’idrogeno neutro è stato reionizzato dalla crescente radiazione delle prime stelle massicce. La reionizzazione è un fenomeno importante nella storia del nostro universo poiché rappresenta uno dei pochi mezzi con cui possiamo studiare (indirettamente) queste prime stelle. Ma gli scienziati non sanno esattamente quando si formarono le prime stelle e quando iniziò a verificarsi questo processo di reionizzazione.
L’emergere di queste prime stelle segna la fine dei “Secoli bui” della storia cosmica, un periodo caratterizzato dall’assenza di fonti di luce distinte. Comprendere queste prime fonti è fondamentale, poiché hanno influenzato notevolmente la formazione di oggetti successivi come le galassie. Le prime fonti di luce fungono da semi per la successiva formazione di oggetti più grandi.
Inoltre, le prime stelle esplose come supernove potrebbero essere ulteriormente collassate per formare buchi neri. I buchi neri iniziarono a inghiottire gas e altre stelle per diventare oggetti conosciuti come “mini-quasar”, che crebbero e si fusero per diventare gli enormi buchi neri che ora si trovano al centro di quasi tutte le galassie massicce.