L'analisi spettrale della galassia luminosa JADES-GS-z14-0 basata sulle osservazioni effettuate nel gennaio 2024 ha rivelato uno spostamento verso il rosso di 14.32 che la rende la galassia più distante conosciuta (la precedente galassia più distante conosciuta era JADES-GS-z13-0 al redshift di z = 13.2). Si è formato nell'universo primordiale circa 290 milioni di anni dopo il Big Bang. L’abbondante quantità di luce stellare implica che sia enorme e abbia una dimensione di oltre 1,600 anni luce. Una galassia così luminosa, massiccia e grande nell’universo primordiale all’alba cosmica sfida l’attuale comprensione della formazione delle galassie. Le prime stelle nell'universo erano stelle Pop III con zero metalli o estremamente bassi. Tuttavia, lo studio delle proprietà infrarosse della galassia JADES-GS-z14-0 rivela la presenza di ossigeno, il che significa un arricchimento di metalli che implica che generazioni di stelle massicce avevano già completato il loro ciclo vitale dalla nascita all'esplosione di supernova circa 290 milioni di anni nell'universo primordiale. Pertanto, le proprietà di questa galassia sono in contrasto con l’attuale comprensione della formazione delle galassie nell’universo primordiale.
L'universo primordiale, circa 380,000 anni dopo il Big Bang, era pieno di gas ionizzati ed era completamente opaco a causa della diffusione dei fotoni da parte degli elettroni liberi. Questa fu seguita dall'epoca neutrale dell'universo primordiale che durò circa 400 milioni di anni. In quest'epoca l'universo era neutrale e trasparente. La prima luce è emersa quando l'universo è diventato trasparente, si è spostata verso il rosso nella gamma delle microonde a causa dell'espansione, ed è ora osservata come Fondo Cosmico a Microonde (CMB). Poiché l'universo era pieno di gas neutri, non veniva emesso alcun segnale ottico (da qui la cosiddetta età oscura). I materiali non ionizzati non emettono luce, quindi difficoltà nello studio dell'universo primordiale dell'epoca neutra. Tuttavia, la radiazione a microonde con una lunghezza d'onda di 21 cm (corrispondente a 1420 MHz) emessa dall'idrogeno cosmico freddo e neutro durante quest'epoca a causa della transizione iperfine dallo spin parallelo allo spin antiparallelo più stabile offre opportunità agli astronomi. Questa radiazione a microonde di 21 cm verrebbe spostata verso il rosso una volta raggiunta la Terra e sarà osservata alle frequenze da 200 MHz a 10 MHz come onde radio. IL REACH (Esperimento radiofonico per l'analisi dell'idrogeno cosmico) L'esperimento mira a rilevare la sfuggente linea di 21 cm dell'idrogeno cosmico.
L'epoca della reionizzazione fu l'epoca successiva nella storia dell'universo primordiale che durò da circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang a 1 miliardo di anni. I gas furono re-ionizzati a causa delle radiazioni UV ad alta energia emesse dalle potenti stelle primordiali. In quest'epoca iniziò la formazione delle galassie e dei quasar. Le luci di quest'epoca sono rosse spostate verso le gamme del rosso e dell'infrarosso. Gli studi sul campo profondo di Huble rappresentarono un nuovo inizio nello studio dell'universo primordiale, tuttavia la sua portata nel catturare le luci primordiali era limitata. Era necessario un osservatorio a infrarossi con sede nello spazio. JWST è specializzato esclusivamente nell'astronomia a infrarossi studiare l'universo primordiale.
James Webb Space Telescope (JWST) è stato lanciato il 25 dicembre 2021. Successivamente, tt è stato posizionato in un'orbita vicino al punto Lagrange L2 Sole-Terra a circa 1.5 milioni di km dalla terra. È diventato pienamente operativo nel luglio 2022. Utilizzando strumenti scientifici chiave a bordo come NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), JWST ricerca segnali ottici/infrarossi provenienti dalle prime stelle e galassie formati nell'Universo per una migliore comprensione della formazione e dell'evoluzione delle galassie e della formazione delle stelle e dei sistemi planetari. Negli ultimi due anni ha prodotto risultati affascinanti nell'esplorazione dell'alba cosmica (cioè il periodo nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il big bang in cui nacquero le prime galassie).
Programma JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).
Questo programma mira a studiare l'evoluzione delle galassie dall'alto redshift al mezzogiorno cosmico mediante imaging a infrarossi e spettroscopia nei campi profondi GOODS-S e GOODS-N.
Nel primo anno, i ricercatori JADES si sono imbattuti in centinaia di galassie candidate risalenti ai primi 650 milioni di anni dopo il big bang. All’inizio del 2023, hanno trovato una galassia nel loro set di dati che sembrava avere uno spostamento verso il rosso di 14, suggerendo che doveva trattarsi di una galassia estremamente distante ma molto luminosa. Inoltre, sembrava far parte di un'altra galassia a causa della vicinanza. Quindi, hanno osservato quel guadagno nell’ottobre 2023. I nuovi dati supportavano che si trovasse a uno spostamento verso il rosso di 14. Era necessario uno spettro di questa galassia per identificare la posizione della rottura Lyman-alfa nello spettro per misurare lo spostamento verso il rosso e determinare l’età.
Lyman-alfa è una riga di emissione spettrale dell'idrogeno nella serie Lyman quando gli elettroni passano da n=2 a n=1. Il punto di rottura Lyman-alfa nello spettro corrisponde alla lunghezza d'onda osservata (λosservato). Lo spostamento verso il rosso (z) può essere calcolato secondo la formula z = (λosservato – λriposo) / λriposo
Galassia JADES-GS-z14-0
Di conseguenza, la galassia è stata osservata nuovamente nel gennaio 2024 utilizzando NIRCam (Near Infrared Camera) e NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). L'analisi spettrale ha fornito prove chiare che la galassia aveva uno spostamento verso il rosso di 14.32, rendendola la galassia più distante conosciuta (precedente record di galassie più distanti (JADES-GS-z13-0 allo spostamento verso il rosso di z = 13.2). È stata chiamata JADES -GS-z14-0, una galassia luminosa a una distanza di 13.5 miliardi di anni luce. Inoltre, aveva una dimensione di oltre 1,600 anni luce, il che suggerisce che le stelle giovani siano la fonte della sua luminosità essere molto massiccia. Non ci si aspetta che una galassia esistente meno di 300 milioni di anni dopo il Big Bang abbia tali proprietà. Non si adatta bene ai modelli esistenti di formazione delle galassie.
C'erano altre sorprese in serbo.
I ricercatori sono stati in grado di rilevare JADES-GS-z14-0 a lunghezze d'onda maggiori utilizzando MIRI (strumento per il medio infrarosso). Ciò significava catturare le emissioni di luce visibile provenienti da questa galassia che erano spostate verso il rosso per diventare fuori portata per gli strumenti nel vicino infrarosso. L'analisi ha rivelato la presenza di ossigeno ionizzato che implica un'elevata metallicita' stellare. Ciò è possibile solo quando molte generazioni di stelle hanno già vissuto il loro corso di vita.
Le prime stelle nell'universo hanno zero metalli o un contenuto estremamente basso di metalli. Si chiamano stelle Pop III o stelle Popolazione III. Le stelle low metal sono stelle Pop II. Le giovani stelle hanno un alto contenuto di metalli e sono chiamate “stelle Pop I” o stelle metalliche solari. Con una metallicità relativamente alta dell'1.4%, il sole è una stella recente. In astronomia, qualsiasi elemento più pesante dell'elio è considerato un metallo. I non metalli chimici come l'ossigeno, l'azoto ecc. sono metalli nel contesto cosmologico. Le stelle si arricchiscono di metallo in ogni generazione successiva all'evento di supernova. L'aumento del contenuto di metalli nelle stelle indica un'età più giovane.
Considerando che l'età della galassia JADES-GS-z14-0 è inferiore a 300 milioni di anni dopo il Big Bang, le stelle in questa galassia dovrebbero essere stelle Pop III con contenuto zero di metalli. Tuttavia, il MIRI di JWST ha rilevato la presenza di ossigeno.
Alla luce delle osservazioni e dei risultati di cui sopra, le proprietà della galassia primordiale dell’universo JADES-GS-z14-0 non sono conformi all’attuale comprensione della formazione delle galassie. Come è possibile che una galassia con tali caratteristiche sia datata a 290 milioni di anni dopo il Bing Bang? È possibile che molte di queste galassie vengano scoperte in futuro. Forse all'Alba Cosmica esisteva una varietà di galassie.
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Riferimenti:
- Carniani, S., et al. 2024. Conferma spettroscopica di due galassie luminose con spostamento verso il rosso di 14. Natura (2024). Pubblicato il 24 luglio 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Prestampa su axRiv. Presentato il 28 maggio 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. Rilevazione fotometrica JWST/MIRI a 7.7 μm del continuo stellare ed emissione nebulare in una galassia a z>14. Prestampa su axRiv. Presentato il 28 maggio 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- Il telescopio spaziale James Webb della NASA. Primi punti salienti: il telescopio spaziale James Webb della NASA trova la galassia più distante conosciuta. Pubblicato il 30 maggio 2024. Disponibile su https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
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