Già 500 milioni di anni dopo il Big Bang, il gas attorno a una galassia conteneva carbonio, ossigeno e silicio in movimento. Lo stesso fenomeno è stato osservato in altre due galassie dell’Universo primordiale: un indizio che il riciclo degli elementi prodotti dalle stelle era iniziato molto presto, quando l’Universo aveva meno del 4 per cento della sua età attuale.
La ricerca è stata guidata da Yongda Zhu, ricercatore post-dottorato all’Università dell’Arizona e allo Steward Observatory, insieme a colleghi delle stesse istituzioni, dell’Università della California a Riverside e dell’Università del Michigan. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Astronomy. Il campione comprende soltanto tre galassie luminose, perciò non è ancora possibile stabilire quanto il fenomeno fosse comune.
Nei primi istanti dopo il Big Bang, l’Universo era composto quasi esclusivamente da idrogeno ed elio. Il carbonio, l’ossigeno e gli altri elementi più pesanti si sono formati in seguito all’interno delle stelle. Quando queste stelle hanno restituito parte della materia allo spazio, gli elementi prodotti hanno potuto contribuire alla nascita di nuove generazioni di stelle e, più tardi, di pianeti rocciosi.
Per studiare il gas attorno alle galassie, il gruppo ha sfruttato la luce stellare come una sorta di sorgente luminosa. Ogni elemento assorbe colori specifici: quando la luce viene scomposta, questi assorbimenti appaiono come sottili righe scure nello spettro. Nel suo viaggio verso la Terra, la luce delle galassie ha attraversato il gas circostante, che ha lasciato la propria impronta.
Rilevare segnali così deboli ha richiesto il telescopio spaziale James Webb della NASA. La luce aveva viaggiato per oltre 13 miliardi di anni e Webb l’ha raccolta per circa 29 ore, con una modalità di osservazione adatta a catturare quei colori. Le tre galassie provenivano da un’indagine approfondita di Webb su una porzione di cielo ed erano le uniche abbastanza luminose per questo tipo di misurazione. I ricercatori le hanno selezionate in base alla luminosità, prima di verificare la presenza delle righe scure; tutte e tre le mostravano.
Le righe corrispondevano a ossigeno, carbonio e silicio. Alcuni atomi di ossigeno erano intatti; alcuni atomi di carbonio e silicio avevano perso uno o tre elettroni. La perdita di elettroni, detta ionizzazione, richiede condizioni più estreme e più energetiche. La presenza simultanea di queste diverse forme, tutte con velocità sovrapposte, è difficile da spiegare con una sola nube di gas tranquilla all’interno di una galassia. I dati indicano invece gas in diversi stati, in movimento e associato a ciascuna galassia.
Nel complesso, il profilo delle righe assomiglia a quello osservato dagli astronomi nelle galassie in cui si formano stelle oltre un miliardo di anni più tardi. Gli elementi pesanti rilevati avrebbero poi potuto contribuire alla formazione di nuove stelle e pianeti rocciosi.
In un’intervista a Earth.com, Zhu ha collegato il movimento del gas al feedback stellare, cioè alla spinta esercitata sul gas circostante dalle stelle massicce e dalle loro esplosioni. «Si possono immaginare le giovani galassie sia come fabbriche sia come distributori», ha detto. «Le stelle al loro interno producono elementi come carbonio, ossigeno e silicio, e il feedback stellare spinge poi verso l’esterno una parte di questo gas arricchito».
Le righe nello spettro erano leggermente spostate verso il blu rispetto alla posizione prevista per un gas fermo rispetto alle galassie. Questo spostamento indica che il gas si muoveva verso il telescopio. Poiché si trovava tra ciascuna galassia e la Terra, stava quindi allontanandosi dalla galassia. Le velocità stimate vanno da circa 50 a 250 chilometri al secondo. Anche alla velocità più bassa, si attraverserebbero gli Stati Uniti continentali in circa un minuto e mezzo.
«Nei nostri spettri di JWST vediamo questo gas muoversi rispetto alle galassie stesse: ciò dimostra che questi elementi si stavano già diffondendo nell’ambiente circostante», ha detto Zhu.
Le velocità, però, non rivelano fin dove fosse arrivato il gas. Lo stesso spostamento potrebbe essere prodotto da un vento vicino alla galassia o da gas diffuso più lontano; potrebbero inoltre contribuire i moti turbolenti al suo interno. È possibile che gli atomi che avevano perso più elettroni si muovessero più rapidamente degli altri, ma per verificarlo serviranno spettri più nitidi.
Webb aveva già individuato elementi pesanti all’interno di galassie ancora più antiche, compreso ossigeno in una delle galassie più lontane conosciute. Le misurazioni precedenti del gas al di fuori delle galassie riguardavano soprattutto epoche successive: si basavano sulla luce dei nuclei estremamente luminosi di galassie lontane, che attraversava tratti di gas casuali e solo debolmente associati a una singola galassia.
«L’aspetto più sorprendente è stata la rapidità del processo», ha detto Zhu a Earth.com. «Le precedenti osservazioni di JWST avevano già dimostrato che le galassie primordiali potevano produrre elementi pesanti, ma i nostri risultati mostrano che le galassie avevano anche iniziato a ridistribuirli nell’ambiente circostante in un’epoca sorprendentemente remota».
Le prime stelle si sarebbero formate da idrogeno ed elio puri. Gli astronomi le cercano da anni, ma individuarle si è rivelato difficile. Secondo Zhu, i risultati potrebbero aiutare a spiegare perché: «Quando le prime generazioni di stelle hanno iniziato ad arricchire l’ambiente circostante», ha detto, «gli ambienti chimicamente incontaminati potrebbero essere scomparsi rapidamente». Un’ipotesi che si collega alle ricerche sui resti delle prime stelle dell’Universo.
Gli elementi pesanti, tuttavia, non devono necessariamente provenire soprattutto dalle primissime stelle. I modelli elaborati da altri ricercatori indicano che una generazione successiva, con alcune stelle dalla massa pari a 200-300 volte quella del Sole, avrebbe potuto produrre carbonio e ossigeno in tempi altrettanto brevi.
Tre galassie luminose non bastano a stabilire quanto fosse diffuso il fenomeno. Alcune altre nubi di gas osservate nell’Universo primordiale contengono pochissimi elementi pesanti: la loro distribuzione potrebbe quindi essere stata disomogenea, con alcune zone arricchite molto prima di altre. Inoltre, gli spettri di Webb non distinguono le strutture più fini e i ricercatori non sono riusciti a mappare i confini del gas. Non si può neppure escludere del tutto che in una delle galassie fosse presente un buco nero che stava assorbendo attivamente materia, anche se gli spettri non mostrano segnali chiari di questa attività.
«La prossima grande domanda è quanto fosse comune questo processo», ha detto Zhu. Il ricercatore vuole ottenere osservazioni più profonde di un numero maggiore di galassie, per capire se il gas arricchito in movimento verso l’esterno fosse diffuso nell’Universo primordiale. Spettri più nitidi potrebbero inoltre distinguere i movimenti delle diverse forme di gas. Per ora, la scoperta riguarda tre delle galassie più luminose della loro epoca: campioni più ampi serviranno a capire se anche il resto dell’Universo giovane disperdesse i propri elementi altrettanto presto. Lo studio
Fonte: earth.com
