In un minuscolo angolo dell’Ultra Deep Field di Hubble, il James Webb ha rilevato due volte, a 88 giorni di distanza, una singola linea di emissione infrarossa che non compare nelle osservazioni precedenti. Il segnale, individuato nell’agosto e nel novembre 2023, potrebbe provenire da un oggetto che per un breve periodo ha brillato intensamente, ma la sua origine resta sconosciuta.
La regione si trova nella costellazione australe della Fornace ed è stata studiata a lungo: Hubble vi ha dedicato oltre 270 ore di osservazioni, producendo l’Ultra Deep Field (HUDF), un’immagine che raccoglie quasi 10.000 galassie distribuite su miliardi di anni luce. Dopo il lancio, anche il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha puntato i suoi specchi dorati verso la stessa zona, sfruttando la maggiore sensibilità nell’infrarosso per cercare oggetti che Hubble potrebbe non aver rilevato.
La scoperta è stata fatta da un gruppo guidato dall’astrofisico Mason Huberty, dell’Università del Minnesota. I ricercatori volevano verificare se lo spettrografo nel vicino infrarosso del JWST, NIRSpec, potesse individuare oggetti sconosciuti, anziché limitarsi a studiare bersagli già identificati. I risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal.
NASA, ESA e S. Beckwith (STScI
Per capire il metodo, occorre distinguere tra un’immagine e uno spettro. Un’immagine astronomica combina la luce raccolta attraverso filtri diversi, ciascuno sensibile a una gamma di lunghezze d’onda. La spettroscopia, invece, scompone la luce nelle sue componenti, un po’ come un prisma divide la luce bianca nei colori dell’arcobaleno, ma con maggiore dettaglio. Gli astronomi possono così individuare linee di assorbimento, cioè lunghezze d’onda sottratte alla luce da atomi o molecole, e linee di emissione, prodotte quando atomi o molecole rilasciano energia sotto forma di luce. Queste caratteristiche aiutano a ricavare la composizione chimica e altre proprietà degli oggetti celesti.
Di norma, gli astronomi scelgono bersagli già noti e orientano verso di essi le piccole aperture dello spettrografo. Huberty e colleghi hanno adottato un approccio diverso: hanno lasciato aperte quasi tutte le aperture, chiudendo soltanto quelle che coprivano oggetti in primo piano già identificati da Hubble, la cui luce avrebbe potuto contaminare i dati. Hanno quindi cercato linee di emissione negli spettri raccolti con una tecnica chiamata coronografia multioggetto per spettroscopia senza fenditura (MOCSS).
Le osservazioni sono state effettuate in due finestre, nell’agosto e nel novembre 2023, separate da 88 giorni e condotte da angolazioni diverse. Il confronto tra le due sessioni avrebbe permesso di riconoscere eventuali artefatti o anomalie strumentali. L’HUDF era un banco di prova adatto, perché le numerose osservazioni già disponibili consentivano di confrontare i risultati con quelli di galassie conosciute.
Sei rilevazioni che rispettavano i criteri rigorosi dello studio sono state associate a galassie lontane già presenti nell’HUDF. La settima, invece, non ha trovato una spiegazione. Era una singola linea luminosa a circa 1,6 micrometri, nel vicino infrarosso. Il problema non è che una linea di questo tipo sia rara: sono le emissioni infrarosse a essere comuni. A renderla insolita è il fatto che non fosse accompagnata da altre linee e che nelle precedenti osservazioni di Hubble e del JWST non si vedesse nulla in quella posizione.
Il segnale, inoltre, è difficile da attribuire a un’anomalia dello strumento. È comparso in tutti e quattro i gruppi di esposizioni combinate, in entrambe le orientazioni e nelle due sessioni distanti 88 giorni; le misurazioni risultavano coerenti. La linea era anche abbastanza luminosa da dover essere visibile nelle immagini precedenti del JWST. Se fosse stata presente durante l’indagine JADES, condotta dal telescopio nell’ottobre 2022, sarebbe stata rilevata. È quindi possibile che la sorgente non fosse attiva in quel momento.
Una sola linea, però, non basta a stabilire con sicurezza la distanza dell’oggetto. L’espansione dell’Universo allunga le lunghezze d’onda della luce, spostandole verso il rosso: un segnale infrarosso può quindi essere luce molto energetica proveniente da grande distanza oppure luce meno energetica emessa da una sorgente più vicina. Per capire quale interpretazione sia corretta e come si sia prodotta l’emissione servono altri dati.
I ricercatori considerano quattro spiegazioni principali, ma nessuna si accorda perfettamente con le osservazioni. Potrebbe trattarsi di una galassia dell’Universo primordiale, anche se la linea avrebbe difficoltà ad attraversare l’idrogeno neutro che allora riempiva l’Universo e avrebbe dovuto essere rilevata da JADES. Una galassia più recente dovrebbe invece mostrare altre linee di emissione, oltre a quella osservata, e resta anche in questo caso il problema della mancata rilevazione precedente. Un’altra possibilità è una supernova, ma ci si aspetterebbe un’ulteriore linea che non è stata trovata. Infine, la linea potrebbe essere stata prodotta da un buco nero mentre disintegra una stella: un evento capace di generare una forte emissione senza molta altra luce rilevabile. Al momento, tuttavia, non ci sono prove sufficienti per confermare questa ipotesi.
«Questo oggetto è molto insolito e permette di indagare condizioni fisiche estreme», scrivono i ricercatori. «Sono necessarie osservazioni di follow-up per confermare il redshift e determinare l’origine fisica dell’emissione […] Una spettroscopia più profonda e sensibile potrebbe rivelare altre linee di emissione e stabilire in modo definitivo il redshift e la natura della sorgente». Il redshift è lo spostamento della luce verso lunghezze d’onda più rosse, dovuto all’espansione dell’Universo, e può aiutare a stimare la distanza della sorgente. Per chiarire il caso serviranno nuove osservazioni, più sensibili, capaci di individuare eventuali altre linee.
