ABSTRACT

La ricerca delle galassie lontane, prime galassie, è un tema centrale dell’astronomia moderna, mirato a comprendere l’evoluzione dell’Universo. Le osservazioni di galassie distanti ci permettono di studiare i progenitori delle strutture attuali e di comprendere i processi fisici che hanno influenzato la loro formazione. Dopo il Big Bang, l’Universo era composto quasi esclusivamente da idrogeno ed elio. L’osservazione delle galassie lontane ci permette di tracciare l’arricchimento chimico dell’Universo, seguendo il filo che ha portato alla formazione delle galassie, del Sole e della vita stessa.

Negli anni ’60, con la scoperta dei primi quasar, è iniziata la ricerca di sorgenti a distanze cosmologiche. Il lancio dell’Hubble Space Telescope (HST) e l’iniziativa di osservare campi profondi (come l’Hubble Deep Field del 1995) hanno rivoluzionato questa ricerca, permettendo di studiare galassie che risalgono a quando l’Universo aveva meno di 2 miliardi di anni. Le osservazioni nell’infrarosso hanno permesso di indagare la formazione delle galassie in epoche ancora più remote, fino a meno di 300 milioni di anni dal Big Bang.

Il James Webb Space Telescope (JWST), lanciato con lo scopo di esplorare le prime stelle e galassie, ha rivoluzionato ulteriormente il campo. Le sue osservazioni hanno rivelato che l’Universo primordiale era molto più affollato di quanto previsto. Galassie luminose e massicce sono state trovate a redshift maggiore di 10, sfidando i modelli teorici preesistenti. La spettroscopia del JWST ha permesso di osservare dettagliate emissioni di gas ionizzato e scoprire buchi neri supermassicci in galassie risalenti a poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.

La ricerca continua a spingersi oltre, con l’obiettivo di trovare la prima generazione di stelle, la cosiddetta “popolazione III”, formata solo da gas primordiale. Strumenti come il telescopio spaziale Euclid e l’Extremely Large Telescope (ELT) contribuiranno significativamente a questa ricerca. Tuttavia, restano delle sfide, come la mancanza di strumenti osservativi nel medio infrarosso e nelle alte energie, necessarie per studiare i buchi neri primordiali. I prossimi decenni saranno cruciali per comprendere appieno l’evoluzione dell’Universo e le sue prime sorgenti luminose.

Una breve storia della ricerca delle galassie lontane

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Quanto lontano possono vedere i vostri telescopi? È una domanda che gli astronomi si sentono rivolgere spesso, potrebbe sembrare un po’ ingenua ma la risposta è meno banale di quello che si può pensare e tutto sommato non è affatto una cattiva domanda. Infatti, sono gli astronomi i primi a chiedersi come spingere le proprie osservazioni sempre più lontano nello spazio e quindi nella storia dell’Universo.

Sono molti i motivi per studiare galassie sempre più distanti e cercare le prime galassie formatesi poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Nell’Universo vicino osserviamo galassie che si differenziano tra loro per morfologia (spirali, giganti ellittiche, irregolari), massa, livello di formazione stellare, contenuto di gas e polvere, ambiente (ammassi e gruppi di galassie), e presenza di buchi neri supermassicci di centinaia di milioni o addirittura miliardi di masse solari. Solo osservando i loro progenitori nell’Universo lontano, e i loro primi “mattoni” nell’Universo primordiale possiamo veramente capire quali fenomeni fisici hanno maggiormente influito sulla loro evoluzione. Inoltre, nella Via Lattea e nelle galassie vicine osserviamo diversi tipi di popolazioni stellari, contraddistinte principalmente da diverse abbondanze degli elementi chimici che si formano a seguito della combustione nucleare all’interno delle popolazioni stellari precedenti e che vengono poi dispersi da venti stellari ed esplosioni di supernovae. Successivamente al Big Bang l’Universo era costituito essenzialmente dai soli idrogeno ed elio: ricostruire nelle galassie via via più lontane la storia dell’arricchimento di elementi quali carbonio, ossigeno, azoto vuol dire seguire quel filo che ha portato dal Big Bang alla formazione non solo della Via Lattea, ma anche del nostro Sole e infine alla vita.

Di fatto la “rincorsa” a cercare sorgenti sempre più distanti è iniziata molti anni fa, negli anni ‘60 con la scoperta dei primi quasar e radiogalassie a distanze “cosmologiche” (redshift maggiore di 1) ma è solo da metà degli anni ‘90 che gli astronomi hanno sviluppato metodi e strumenti adatti a osservare normali galassie in epoche in cui l’Universo aveva non più di 2 miliardi di anni di vita, cioè meno del 15% dell’età attuale.

La possibilità di esplorare la natura di galassie remote è giunta grazie ad Hubble Space Telescope e alla coraggiosa iniziativa di osservare dei cosiddetti “campi fondi”, piccole zone di cielo di pochi arcmin² su cui acquisire dati per decine e a volte centinaia di ore si osservazione. Il primo esempio fu l’Hubble Deep Field (HDF) nel 1995, a cui sono seguite negli anni numerose “survey” concepite in modo simile, la più celebre delle quali è probabilmente l’Hubble Ultra Deep Field (Fig. 1).

Le osservazioni HDF e di survey simili contengono molte migliaia di sorgenti, ma grazie all’acquisizione di immagini in più filtri si può misurare la forma dello spettro delle galassie e isolare la piccola frazione di sorgenti remote. In particolare, per studiare le prime epoche di formazione delle galassie è necessario avere osservazioni oltre la regione del visibile: dalle lunghezze d’onda del vicino infrarosso (circa 1 micron) a quelle del medio infrarosso (oltre i 3 micron) che rispettivamente misurano l’emissione ultravioletta (UV) di galassie da redshift circa 6 a redshift 12 e oltre, cioè da 1 miliardo a meno di 300 milioni di anni dal Big Bang.

La camera ottica ACS, e dal 2010 quella infrarossa (WFC3) di HST, insieme ai grandi telescopi da terra (Very Large Telescope, Keck) hanno dunque permesso di studiare le popolazioni di galassie risalenti al periodo tra circa 600 milioni di anni e 2 miliardi di anni dopo il Big Bang (redshift da 3 a circa 9). Si è trovato che al crescere del redshift la luminosità tipica delle galassie diminuisce e aumenta la frazione di galassie intrinsecamente deboli. Queste galassie sono via via più piccole, con dimensioni tipiche inferiori a 1 kpc (meno di 1/3 della Via Lattea), in buona parte di morfologia irregolare, sempre più attive in termini di formazione stellare in rapporto alla loro massa e con un sempre minore contenuto sia di polvere che di elementi quali ossigeno e carbonio. Queste osservazioni hanno permesso di indagare un periodo della storia dell’Universo entro il primo miliardo di anni che è estremamente importante perché è quando avviene il grosso del processo cosiddetto di reionizzazione (Fig. 2). Dal momento della ricombinazione (300.000 anni dopo il Big Bang) lo spazio è permeato da gas neutro, e sono proprio i fotoni energetici emessi dalla prime sorgenti luminose a separare protoni ed elettroni dell’idrogeno diffuso nello spazio intergalattico, ionizzandolo nuovamente. Uno degli scopi principali nello studio delle prime galassie è proprio misurare l’andamento temporale e spaziale di questo processo, e soprattutto determinare quali sorgenti ne siano state maggiormente responsabili, se le galassie più o meno luminose o i primi nuclei galattici attivi. Nonostante questi successi osservativi, fino a poco tempo fa la nostra conoscenza dei primordi dell’Universo era ancora limitata. Hubble è sensibile sino a circa 1.6 micron di lunghezza d’onda. I telescopi da terra anche della classe degli 8-10 metri come VLT e Keck fanno delle osservazioni extragalattiche anche a lunghezze d’onda leggermente maggiori (sino a circa 2.5 micron), ma il forte “background” di emissione dell’atmosfera impedisce loro di spingersi abbastanza in profondità, oltre la magnitudine osservata 26-27. Lunghezze d’onda oltre i 3 micron erano osservabili dal telescopio spaziale Spitzer, ma con risoluzione e sensibilità date dallo specchio di soli 85 cm di diametro assolutamente insufficienti ad esplorare l’Universo nei primi 500 milioni di anni di vita. Poche sorgenti erano note grazie a HST a un redshift circa 9-10, e nessuna a distanze ancora maggiori. La corsa alle prime galassie aveva bisogno di uno strumento che potesse osservare nel vicino e medio infrarosso dallo spazio, e con una sensibilità superiore a HST e Spitzer.

La rivoluzione di JWST

Il James Webb, con 6.5 metri di diametro e strumenti sensibili sino ai 28 micron è stato progettato avendo l’esplorazione delle prime stelle e galassie tra i suoi scopi principali. I primi due anni di osservazioni con JWST hanno decisamente rivoluzionato lo studio delle galassie primordiali e possiamo tranquillamente affermare che questo meraviglioso strumento sta mantenendo le sue promesse. Le prime osservazioni extragalattiche “fonde???” di JWST sono state rese pubbliche a Luglio 2022 e, come era facile aspettarsi, hanno subito scatenato una “corsa all’oro” per selezionare le galassie più remote.

I risultati raggiunti in pochi giorni dall’analisi delle prime immagini della camera NIRCam (tra 1 e 5 micron) sono stati a dir poco sorprendenti perché immediatamente ci si è resi conto che l’Universo nei suoi primi 300-500 milioni di anni di vita era molto più affollato di quanto ci si aspettasse. I dati che erano disponibili su epoche successive avevano mostrato che l’abbondanza di galassie, cioè il loro numero per unità di volume, diventava sempre più piccolo più ci si spingeva in là col redshift (e quindi indietro nella storia dell’Universo). I modelli teorici di evoluzione delle galassie riproducevano questi risultati in modo abbastanza accurato e quindi le aspettative erano basse: certo JWST ci avrebbe permesso di trovare sorgenti molto più remote, ma si pensava fossero poche e soprattutto di bassa luminosità intrinseca. Tutt’altro! Nei giorni e nelle settimane successive all’inizio delle osservazioni JWST ci siamo accorti che a redshift maggiore di 10 le galassie luminose, cioè di magnitudine assoluta MUV=-20 o inferiore, erano molto più numerose di quanto si pensasse.

Chi vi scrive ha avuto il privilegio di partecipare alle prime ricerche come membro dei team legati alle osservazioni “Early Release Science” (ERS), programmi osservativi i cui dati sono stati immediatamente resi pubblici proprio per permettere alla comunità scientifica di prendere confidenza con le osservazioni del James Webb. In particolare, pochi giorni dopo le prime osservazioni, con i colleghi del programma ERS GLASS trovammo inaspettatamente due galassie brillanti, denominate GHZ1 e GHZ2, a redshift maggiore di 10 in una piccola area di cielo di soli 6.5 arcmin² (Fig. 3). Per dare un’idea di quanto inaspettato fosse questo risultato la stima era che ci sarebbe servita almeno un’area 10 volte maggiore per trovare una sola di queste sorgenti.

Tutte le successive osservazioni di campi fondi extragalattici hanno poi confermato questo risultato, davvero ci sono più galassie remote di quante ce ne aspettavamo, e ovviamente gli astrofisici teorici si sono subito messi al lavoro per trovare una spiegazione a questo risultato. Vari scenari possono descrivere tale “abbondanza”, le galassie potrebbero apparire più luminose per una quasi totale assenza della attenuazione da polvere, essere in una fase solamente temporanea di maggiore luminosità dovuta a storie di formazione stellare estremamente variabili costellate di episodi di forte emissione, o avere avuto una elevata efficienza di conversione del gas in stelle. C’è anche chi ha proposto modifiche allo scenario cosmologico suggerendo una maggiore rapidità di formazione delle strutture o in alternativa che all’epoca l’Universo potesse essere più vecchio di quanto riteniamo, dando più tempo alle galassie per formarsi e crescere. Ad oggi sono numerosi gli sforzi teorici e osservativi mirati a distinguere tra gli scenari.

Ancora sorprese dalle prime galassie

Le osservazioni di “imaging” sono estremamente potenti, raccogliendo la luce delle sorgenti in più filtri a banda larga permettono di raggiungere flussi molto deboli e allo stesso tempo di ricostruire la forma dello spettro per stimare redshift e luminosità. Ma per capire a fondo la natura degli oggetti celesti è necessaria la spettroscopia che ne disperde nel dettaglio l’emissione in funzione della lunghezza d’onda e permette di misurare le righe in emissione o in assorbimento nel gas che circonda le stelle giovani. In questo campo JWST ha portato l’emozionante novità di poter vedere per la prima volta nell’Universo remoto righe di emissione della regione del visibile, quindi osservabili nel vicino e medio infrarosso, come le righe di Balmer dell’idrogeno, e un incredibile dettaglio di righe di emissione del gas altamente ionizzato emesse dalle galassie nell’ultravioletto. Molti dei risultati ottenuti hanno confermato le predizioni teoriche. L’abbondanza di ossigeno e altri elementi in epoche remote era più bassa di quella locale, anche se tipicamente attorno al 5-10% dell’abbondanza solare a indicare che l’Universo si è arricchito molto rapidamente. Lo stato di ionizzazione e di eccitazione del gas era maggiore, per la presenza di stelle più calde (decine di migliaia di gradi K) e massicce (probabilmente sino a centinaia di volte la massa del sole) di quelle tipiche delle galassie vicine.

Ma anche dalla spettroscopia sono arrivati risultati inattesi. L’esempio migliore è una sorgente denominata GNz11 a redshift 10.6 che era la galassia più distante scoperta da Hubble e che è stata poi indagata a fondo tramite lo spettrografo NIRSpec di JWST. Lo spettro di GNz11 mostra una grande quantità di righe di emissione di idrogeno, carbonio, ossigeno e azoto e ha portato un risultato che ha subito colpito l’attenzione: l’abbondanza dell’azoto nel gas di GNz11 è molto elevata, oltre il doppio di quanto misurato nel Sole. Successivamente la stessa anomalia è stata trovata anche in altre galassie di epoca simile nella survey JWST CEERS e nella sorgente GHZ2 a redshift 12.3, una delle galassie brillanti che trovammo nella GLASS-ERS.

Questa alta abbondanza di azoto non è una semplice curiosità: lo stesso eccesso di questo elemento si trova in popolazioni stellari degli ammassi globulari attorno alla Via Lattea. Le galassie osservate da JWST potrebbero dunque essere il sito di formazione delle stelle degli ammassi globulari. Le osservazioni future ci indicheranno se davvero c’è una connessione tra un’efficiente formazione delle stelle nelle galassie di alto redshift e la formazione di questi oggetti che sono le strutture più antiche che conosciamo nell’Universo locale.

Ma le sorprese non sono finite qui. Un elevato numero di sorgenti nel primo miliardo di anni dal Big Bang, inclusa la stessa GNz11, hanno mostrato di ospitare un buco nero centrale supermassiccio. La prova è arrivata innanzitutto dall’osservazione in numeri oggetti?? di righe di emissione “larghe”, indicative di velocità del gas dell’ordine delle migliaia di km/s nelle regioni soggette all’enorme campo gravitazionale del buco nero. Un altro caso degno di nota è quello di una sorgente a redshift 10.1 denominata UHZ1 che mostra emissione X dovuta alla presenza di un buco nero la cui massa è paragonabile addirittura all’intera massa stellare della galassia ospite. JWST ha dunque trovato che poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang le galassie ospitavano già buchi neri da milioni a centinaia di milioni di masse solari.

Come possono essersi formati così rapidamente buchi neri così massicci? A questo riguardo gli scenari considerati più plausibili sono due. Il primo prevede un accrescimento estremamente efficiente a partire dai buchi neri di poche decine di masse solari, residuo delle prime esplosioni di supernova. In questo caso la crescita del buco nere deve essere avvenuta a un tasso pari, e per alcuni periodi persino superiore, al limite massimo oltre il quale la pressione della radiazione limita la caduta di materia sul buco nero stesso (limite di Eddington). Il secondo scenario prevede un accrescimento più regolare ma a partire da buchi neri di migliaia di masse solari dovuti al collasso rapido di enormi nubi di gas. Una terza possibilità, più remota ma potenzialmente con grandi implicazioni la cosmologia è che i “semi” su cui si sono accresciuti i buchi neri supermassicci siano buchi neri primordiali formatisi nei primi secondi di vita dell’Universo a partire da fluttuazioni quantistiche e che in alcuni casi potrebbero avere avuto masse migliaia di volte quella solare.

Future osservazioni di galassie e nuclei attivi in epoche ancora più remote permetteranno di chiarire questi scenari teorici e comprendere finalmente il meccanismo di formazione e i primi passi dell’evoluzione dei buchi neri supermassicci.

Il Graal delle galassie primordiali: le prime stelle

Lo scenario di fronte a cui ci ha posti JWST è estremamente interessante, in poco tempo abbiamo osservato decine di galassie e AGN in un’epoca tra i 300 e gli 800 milioni di anni dal Big Bang, ed è molto probabile che a breve ci spingeremo ad epoche ancora più remote. Oltre alla comprensione dell’epoca di reionizzazione e delle prime fasi di evoluzione di galassie e buchi neri supermassicci c’è però un obiettivo più ambizioso da raggiungere: la scoperta della prima generazione di stelle. Non solo la Via Lattea e le galassie vicine, ma come abbiamo visto anche quelle più remote osservate da JWST sono popolate da stelle già arricchite, almeno in parte, da elementi più pesanti di idrogeno ed elio. Trovare la prima generazione di stelle, la cosiddetta “popolazione III” formatasi dal solo gas primordiale è forse il maggiore obiettivo e, diciamolo, il sogno di chi studia le prime galassie. Per ora sappiamo solo ciò che ci dicono i modelli teorici: si ritiene che queste stelle fossero di centinaia di masse solari, estremamente calde e quindi di vita breve, pochi milioni di anni (Fig. 5), che si fossero formate in protogalassie a partire da circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, ma che potrebbero avere continuato a moltiplicarsi in sacche di gas non arricchito anche nelle vicinanze di galassie massicce in epoche successive. Si sapeva che sono una “preda” difficile per le osservazioni e non è una sorpresa che ancora non le si sia trovate con certezza, ma alcune osservazioni JWST potrebbero essere prossime al traguardo. Il primo caso è, ancora una volta!, legato a GNz11: osservazioni di spettroscopia della regione attorno alla sorgente hanno mostrato la presenza di una piccola regione caratterizzata da una forte emissione dell’elio ionizzato. L’intensità dell’emissione è consistente con quanto ci si aspetta da una regione di formazione di stelle di popolazione III, e magari osservazioni future lo confermeranno. Il secondo caso è una sorgente di bassa massa, al più 1000 masse solari, a redshift 6.7 e denominata LAP1 che è così debole che la possiamo vedere solo grazie alla combinazione della sensibilità di JWST e dell’effetto di lente gravitazionale di un ammasso di galassie nell’Universo vicino. Lo spettro di questa galassia indica che il gas ha un’abbondanza di ossigeno che è al più 3/1000 di quella solare. Se il buon giorno si vede dal mattino è lecito aspettarsi che presto o tardi JWST troverà la prova definitiva di emissione da stelle primordiali: il primo passo che l’Universo ha fatto verso la formazione di tutti gli elementi chimici che compongono anche la nostra terra e noi stessi.

Il futuro

Se non ci saranno spiacevoli imprevisti JWST potrà osservare almeno per altri 10 anni prima di esaurire il carburante per le manovre, e continuerà a essere l’unico strumento in grado di esplorare i primi 100-200 milioni di anni dopo il Big Bang. Nondimeno, altri strumenti saranno fondamentali per lo studio di sorgenti nel primo miliardo di anni di vita dell’Universo.

Vista l’importanza dell’infrarosso difficilmente osservabile da terra non è un caso che un grande contributo sia atteso da un altro telescopio spaziale recentemente entrato in funzione, la missione ESA/NASA Euclid. Lo scopo primario di Euclid è lo studio della cosmologia, svelare la natura della materia oscura e dell’energia oscura. Osserverà ben 15000 gradi quadrati di cielo (“Wide Survey”) insieme anche a survey “fonde” su un’area totale di circa 40 gradi quadrati (Euclid Deep Fields) in un filtro ottico, tre filtri infrarossi (da 1 micron a circa 2.0 micron di lunghezza d’onda), e con uno spettrografo infrarosso. Euclid è concepito in modo del tutto diverso e complementare a JWST. Per via dello specchio più piccolo (1.2 metri) raggiunge magnitudini limite inferiori, circa 24 nella survey Wide, e ~26 nei campi deep (Webb arriva alla 30esima magnitudine e oltre) ma è dotato di camere a grande campo: 0.57 deg², oltre 400 volte maggiore del campo di vista della camera NIRCam di JWST. Queste osservazioni infrarosse individueranno decine di migliaia delle galassie più luminose e massicce nell’epoca di reionizzazione. Soprattutto Euclid potrà censire la popolazione dei primi quasar brillanti trovandone di più remoti di J0313−1806, il QSO più distante attualmente noto a redshift 7.6.

Quale sarà il ruolo degli strumenti da terra? Una fruttuosa sinergia si è già in essere tra JWST e ALMA, che osservando nelle lunghezze d’onda sub-millimetriche è in grado di studiare l’emissione del mezzo interstellare anche delle sorgenti più remote individuate da JWST. Più limitato per lo studio delle prime galassie sarà il contributo dei telescopi ottico-infrarossi da terra dell’attuale classe degli 8-10 metri di diametro, mentre un “concorrente” quasi all’altezza di JWST sarà l’Extremely Large Telescope (ELT) che diventerà operativo a partire dal 2028. ELT col suo specchio di 39 metri di diametro avrà una enorme area di raccolta luce e gli strumenti, sensibili sino a circa 2.5 micron di lunghezza d’onda, avranno la capacità di compensare l’effetto della turbolenza atmosferica con tecniche di ottica adattiva raggiungendo una risoluzione prossima al limite di diffrazione. ELT potrà quindi indagare ad altissima risoluzione spaziale e spettrale la natura di galassie e nuclei galattici attivi distanti.

Euclid, ALMA, ELT e altri gioielli della tecnologia astronomica sono e saranno fondamentali per comprendere l’Universo lontano, ma non possiamo non notare due limiti nello sviluppo dei futuri programmi astrofisici con la speranza che vi si ponga rimedio. Il primo è che JWST resterà a lungo l’unico strumento capace di osservare da spazio nel medio infrarosso oltre la lunghezza d’onda di 2 micron per cercare l’emissione UV di sorgenti nei primi 300 milioni di anni dal Big Bang. I primi progetti NASA per un futuro telescopio spaziale (denominato LUVOIR) non prevedono capacità osservative nel medio infrarosso, e dunque non è ancora chiaro se e quando James Webb avrà un vero erede per la ricerca delle prime stelle. Un secondo, e forse più grave punto debole è la mancanza di strumenti di alte energie che tengano il passo di JWST. È ormai evidente che gli AGN abbiano giocato un ruolo importante nell’Universo primordiale. Le osservazioni X che sono fondamentali per studiare la storia dell’accrescimento sui buchi neri supermassicci sono attualmente limitate, almeno per quanto riguarda sorgenti all’alba cosmica, a quanto osservabile o già osservato con il telescopio Chandra. I suoi potenziali successori, ad esempio la missione ESA Athena, sono in fase di studio e sicuramente non si avrà prima di almeno 10 anni un telescopio X che abbia sensibilità e risoluzione tali da poter indagare sistematicamente le sorgenti trovate da Webb.

I prossimi 10-20 anni saranno decisivi per trovare le prime galassie e la prima generazione di stelle. Un efficiente uso delle sinergie tra i vari strumenti e un’accurata pianificazione degli investimenti futuri ci potranno portare a comprendere le sorgenti ai confini dell’Universo osservabile.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 268 VERSIONE CARTACEA