Il modello standard della cosmologia sopravvive alle sorprendenti scoperte di un telescopio

Le crepe nella cosmologia avrebbero dovuto impiegare un po' di tempo prima di apparire. Ma quando il James Webb Space Telescope (JWST) ha aperto il suo obiettivo la scorsa primavera, galassie estremamente distanti ma molto luminose hanno immediatamente brillato nel campo visivo del telescopio. "Erano così stupidamente brillanti, e si sono semplicemente distinti", ha detto Rohan Naidu, astronomo del Massachusetts Institute of Technology.

Le distanze apparenti delle galassie dalla Terra suggerivano che si fossero formate molto prima nella storia dell'universo di quanto chiunque avesse previsto. (Più qualcosa è lontano, più tempo fa la sua luce risplendeva). La prima di quelle galassie confermate ha fatto luce 330 milioni di anni dopo il Big Bang, rendendola il nuovo detentore del record per la prima struttura conosciuta nell'universo. Quella galassia era piuttosto debole, ma altri candidati vagamente ancorati allo stesso periodo di tempo stavano già brillando, il che significa che erano potenzialmente enormi.

Come potrebbero le stelle accendersi all'interno di nubi di gas surriscaldate così presto dopo il Big Bang? Come hanno potuto intrecciarsi frettolosamente in strutture così enormi legate gravitazionalmente? Trovare galassie così grandi, luminose e antiche sembra come trovare un coniglio fossilizzato negli strati del Precambriano. “Non ci sono grandi cose all'inizio. Ci vuole un po' per arrivare a grandi cose", ha detto Mike Boylan-Kolchin, un fisico teorico presso l'Università del Texas, Austin.

Gli astronomi hanno iniziato a chiedersi se la profusione delle prime grandi cose sfidasse l'attuale comprensione del cosmo. Alcuni ricercatori e media hanno affermato che le osservazioni del telescopio stavano infrangendo il modello standard della cosmologia - un insieme ben collaudato di equazioni chiamato materia oscura fredda lambda, o ΛCDM, modello - indicando in modo elettrizzante nuovi ingredienti cosmici o leggi governative. Da allora è diventato chiaro, tuttavia, che il modello ΛCDM è resiliente. Invece di costringere i ricercatori a riscrivere le regole della cosmologia, le scoperte del JWST hanno portato gli astronomi a ripensare a come sono fatte le galassie, specialmente all'inizio cosmico. Il telescopio non ha ancora rotto la cosmologia, ma ciò non significa che il caso delle galassie troppo precoci si rivelerà tutt'altro che epocale.

Tempi più semplici

Per capire perché l'individuazione di galassie luminose molto precoci è sorprendente, aiuta a capire cosa i cosmologi sanno - o pensano di sapere - sull'universo.

Dopo il Big Bang, l'universo neonato iniziò a raffreddarsi. Nel giro di pochi milioni di anni, il plasma turbolento che riempiva lo spazio si è stabilizzato ed elettroni, protoni e neutroni si sono combinati in atomi, per lo più idrogeno neutro. Le cose erano silenziose e oscure per un periodo di durata incerta noto come età oscura cosmica. Poi è successo qualcosa.

La maggior parte del materiale che è andato in pezzi dopo il Big Bang è fatto di qualcosa che non possiamo vedere, chiamato materia oscura. Ha esercitato una potente influenza sul cosmo, soprattutto all'inizio. Nell'immagine standard, la materia oscura fredda (un termine che significa particelle invisibili e che si muovono lentamente) veniva lanciata indiscriminatamente nel cosmo. In alcune aree la sua distribuzione era più densa, e in queste regioni ha cominciato a crollare in ciuffi. Materia visibile, ovvero atomi, raggruppati intorno ai grumi di materia oscura. Quando anche gli atomi si sono raffreddati, alla fine si sono condensati e sono nate le prime stelle. Queste nuove sorgenti di radiazioni ricaricarono l'idrogeno neutro che riempiva l'universo durante la cosiddetta epoca della reionizzazione. Attraverso la gravità, strutture più grandi e complesse sono cresciute, costruendo una vasta rete cosmica di galassie.

Nel frattempo, tutto continuava a volare via. L'astronomo Edwin Hubble ha capito negli anni '1920 che l'universo si sta espandendo e alla fine degli anni '1990 il suo omonimo, il telescopio spaziale Hubble, ha trovato prove che l'espansione sta accelerando. Pensa all'universo come a una pagnotta di pane all'uvetta. Nasce come un impasto di farina, acqua, lievito e uvetta. Quando unisci questi ingredienti, il lievito inizia a respirare e la pagnotta inizia a lievitare. L'uvetta al suo interno - sostituti delle galassie - si allunga ulteriormente l'una dall'altra man mano che la pagnotta si espande.

Il telescopio Hubble ha visto che la pagnotta si sta alzando sempre più velocemente. L'uvetta vola via a una velocità che sfida la loro attrazione gravitazionale. Questa accelerazione sembra essere guidata dall'energia repulsiva dello spazio stesso - la cosiddetta energia oscura, che è rappresentata dalla lettera greca Λ (pronunciata "lambda"). Inserisci i valori di Λ, materia oscura fredda, materia regolare e radiazione nelle equazioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein e otterrai un modello di come si evolve l'universo. Questo modello di "materia oscura fredda lambda" (ΛCDM) corrisponde a quasi tutte le osservazioni del cosmo.

Un modo per testare questa immagine è guardare galassie molto distanti, equivalente a guardare indietro nel tempo alle prime centinaia di milioni di anni dopo il tremendo applauso che ha dato inizio a tutto. Allora il cosmo era più semplice, la sua evoluzione più facile da confrontare con le previsioni.

Gli astronomi hanno provato per la prima volta a vedere le prime strutture dell'universo usando il telescopio Hubble nel 1995. In 10 giorni, Hubble ha catturato 342 esposizioni di una zona di spazio dall'aspetto vuoto nel Grande Carro. Gli astronomi sono rimasti stupiti dall'abbondanza che si nasconde nell'oscurità come l'inchiostro: Hubble poteva vedere migliaia di galassie a diverse distanze e stadi di sviluppo, che risalgono a tempi molto precedenti di quanto chiunque si aspettasse. Hubble avrebbe continuato a trovare alcune galassie estremamente distanti - nel 2016, astronomi trovato il suo più lontano, chiamato GN-z11, una debole macchia datata a 400 milioni di anni dopo il Big Bang.

Era sorprendentemente presto per una galassia, ma non ha messo in dubbio il modello ΛCDM in parte perché la galassia è minuscola, con solo l'1% della massa della Via Lattea, e in parte perché era isolata. Gli astronomi avevano bisogno di un telescopio più potente per vedere se GN-z11 fosse uno stravagante o parte di una popolazione più ampia di galassie stranamente precoci, il che potrebbe aiutare a determinare se ci manca un pezzo cruciale della ricetta ΛCDM.

Inspiegabilmente distante

Quel telescopio spaziale di nuova generazione, che prende il nome dall'ex leader della NASA James Webb, lanciato il giorno di Natale 2021. Non appena JWST è stato calibrato, la luce delle prime galassie è gocciolata nella sua elettronica sensibile. Gli astronomi hanno pubblicato una marea di documenti che descrivono ciò che hanno visto.

I ricercatori utilizzano una versione dell'effetto Doppler per misurare le distanze degli oggetti. Questo è simile a capire la posizione di un'ambulanza in base alla sua sirena: la sirena suona più alta quando si avvicina e poi più bassa quando si allontana. Più una galassia è lontana, più velocemente si allontana da noi, e così la sua luce si allunga a lunghezze d'onda maggiori e appare più rossa. L'entità di questo "spostamento verso il rosso" è espressa come z, dove un dato valore per z ti dice per quanto tempo deve aver viaggiato la luce di un oggetto per raggiungerci.

Uno dei primi giornali su JWST i dati provenivano da Naidu, l'astronomo del MIT, e dai suoi colleghi, il cui algoritmo di ricerca ha segnalato una galassia che sembrava inspiegabilmente luminosa e inspiegabilmente distante. Naidu l'ha soprannominato GLASS-z13, indicando la sua distanza apparente con un redshift di 13, più lontano di quanto visto prima. (Lo spostamento verso il rosso della galassia è stato successivamente rivisto a 12.4 ed è stato ribattezzato GLASS-z12.) Altri astronomi che lavoravano sui vari gruppi di osservazioni JWST riportavano valori di spostamento verso il rosso da 11 a 20, inclusi una galassia chiamata CEERS-1749 o CR2-z17-1, la cui luce sembra averlo lasciato 13.7 miliardi di anni fa, appena 220 milioni di anni dopo il Big Bang, appena un battito di ciglia dopo l'inizio del tempo cosmico.

Questi presunti rilevamenti suggerivano che la chiara storia nota come ΛCDM potesse essere incompleta. In qualche modo, le galassie sono diventate enormi subito. “Nell'universo primordiale, non ti aspetti di vedere enormi galassie. Non hanno avuto il tempo di formare così tante stelle e non si sono fuse insieme", ha detto Chris Lovell, astrofisico dell'Università di Portsmouth in Inghilterra. Infatti, dentro uno studio pubblicato a novembre, i ricercatori hanno analizzato simulazioni al computer di universi governati dal modello ΛCDM e hanno scoperto che le prime galassie luminose di JWST erano di un ordine di grandezza più pesanti di quelle che si formavano contemporaneamente nelle simulazioni.

Alcuni astronomi e media hanno affermato che JWST stava rompendo la cosmologia, ma non tutti erano convinti. Un problema è che le previsioni di ΛCDM non sono sempre chiare. Mentre la materia oscura e l'energia oscura sono semplici, la materia visibile ha interazioni e comportamenti complessi, e nessuno sa esattamente cosa sia successo nei primi anni dopo il Big Bang; quei primi tempi frenetici devono essere approssimati nelle simulazioni al computer. L'altro problema è che è difficile dire esattamente quanto sono lontane le galassie.

Nei mesi trascorsi dai primi documenti, le età di alcune delle presunte galassie ad alto spostamento verso il rosso sono state riconsiderate. Alcuni erano retrocesso agli stadi successivi dell'evoluzione cosmica grazie alle calibrazioni aggiornate dei telescopi. CEERS-1749 si trova in una regione del cielo contenente un ammasso di galassie la cui luce è stata emessa 12.4 miliardi di anni fa, e Naidu afferma che è possibile che la galassia faccia effettivamente parte di questo ammasso, un intruso più vicino che potrebbe essere pieno di polvere che rende sembra più spostato verso il rosso di quello che è. Secondo Naidu, CEERS-1749 è strano, non importa quanto sia lontano. "Sarebbe un nuovo tipo di galassia di cui non eravamo a conoscenza: una minuscola galassia di massa molto ridotta che in qualche modo ha accumulato molta polvere al suo interno, cosa che tradizionalmente non ci aspettiamo", ha detto. “Potrebbero esserci proprio questi nuovi tipi di oggetti che stanno confondendo le nostre ricerche di galassie molto lontane”.

La rottura di Lyman

Tutti sapevano che le stime di distanza più definitive avrebbero richiesto la capacità più potente di JWST.

JWST non solo osserva la luce delle stelle attraverso la fotometria, o misurando la luminosità, ma anche attraverso la spettroscopia, o misurando le lunghezze d'onda della luce. Se un'osservazione fotometrica è come l'immagine di un volto in mezzo alla folla, un'osservazione spettroscopica è come un test del DNA che può raccontare la storia familiare di un individuo. Naidu e altri che hanno scoperto grandi galassie primitive hanno misurato il redshift usando misure derivate dalla luminosità, essenzialmente guardando i volti nella folla usando una fotocamera davvero buona. Questo metodo è tutt'altro che ermetico. (In una riunione di gennaio dell'American Astronomical Society, gli astronomi hanno scherzato sul fatto che forse la metà delle prime galassie osservate con la sola fotometria risulterà essere misurata con precisione.)

Ma all'inizio di dicembre, cosmologi ha annunciato che avevano combinato entrambi i metodi per quattro galassie. Il team JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) ha cercato galassie il cui spettro di luce infrarossa si interrompe bruscamente a una lunghezza d'onda critica nota come interruzione di Lyman. Questa rottura si verifica perché l'idrogeno che galleggia nello spazio tra le galassie assorbe la luce. A causa della continua espansione dell'universo - la pagnotta di uva passa in continua crescita - la luce delle galassie lontane viene spostata, quindi anche la lunghezza d'onda di quella brusca interruzione si sposta. Quando la luce di una galassia sembra cadere a lunghezze d'onda maggiori, è più distante. JADES ha identificato spettri con spostamenti verso il rosso fino a 13.2, il che significa che la luce della galassia è stata emessa 13.4 miliardi di anni fa.

Non appena i dati sono stati downlinkati, i ricercatori di JADES hanno iniziato a "impazzire" in un gruppo Slack condiviso, secondo Kevin Hailine, astronomo dell'Università dell'Arizona. "Era come, 'Oh mio Dio, oh mio Dio, l'abbiamo fatto l'abbiamo fatto l'abbiamo fatto!'", ha detto. "Questi spettri sono solo l'inizio di quella che penso sarà la scienza che cambierà l'astronomia".

Brant Robertson, un astronomo di JADES presso l'Università della California, Santa Cruz, afferma che i risultati mostrano che l'universo primordiale è cambiato rapidamente nel suo primo miliardo di anni, con le galassie che si evolvono 10 volte più velocemente di quanto non facciano oggi. È simile a come "un colibrì è una piccola creatura", ha detto, "ma il suo cuore batte così velocemente che sta vivendo una vita diversa rispetto alle altre creature. Il battito cardiaco di queste galassie avviene su una scala temporale molto più rapida di qualcosa delle dimensioni della Via Lattea».

Ma i loro cuori battevano troppo velocemente per essere spiegati da ΛCDM?

Possibilità teoriche

Mentre gli astronomi e il pubblico rimanevano a bocca aperta davanti alle immagini del JWST, i ricercatori hanno iniziato a lavorare dietro le quinte per determinare se le galassie che lampeggiano nella nostra vista capovolgono davvero ΛCDM o semplicemente aiutano a definire i numeri che dovremmo inserire nelle sue equazioni.

Un numero importante ma poco compreso riguarda le masse delle prime galassie. I cosmologi cercano di determinare le loro masse per stabilire se corrispondono alla linea temporale prevista da ΛCDM per la crescita delle galassie.

La massa di una galassia è derivata dalla sua luminosità. Ma Megan Donahue, un astrofisico della Michigan State University, afferma che nella migliore delle ipotesi, la relazione tra massa e luminosità è un'ipotesi plausibile, basata su ipotesi raccolte da stelle conosciute e galassie ben studiate.

Un presupposto chiave è che le stelle si formino sempre all'interno di un certo intervallo statistico di masse, chiamato funzione di massa iniziale (IMF). Questo parametro IMF è cruciale per ricavare la massa di una galassia dalle misurazioni della sua luminosità, perché le stelle calde, blu e pesanti producono più luce, mentre la maggior parte della massa di una galassia è tipicamente racchiusa in stelle fredde, rosse e piccole.

Ma è possibile che il FMI fosse diverso all'inizio dell'universo. In tal caso, le prime galassie di JWST potrebbero non essere così pesanti come suggerisce la loro luminosità; potrebbero essere luminosi ma leggeri. Questa possibilità causa mal di testa, perché cambiare questo input di base nel modello ΛCDM potrebbe darti quasi tutte le risposte che desideri. Lovell dice che alcuni astronomi considerano il giocherellare con il FMI "il dominio dei malvagi".

"Se non comprendiamo la funzione di massa iniziale, comprendere le galassie con un elevato spostamento verso il rosso è davvero una sfida", ha affermato Wendy Freeman, astrofisico dell'Università di Chicago. Il suo team sta lavorando su osservazioni e simulazioni al computer che aiuteranno a definire il FMI in diversi ambienti.

Nel corso della caduta, molti esperti sono giunti a sospettare che le modifiche all'FMI e ad altri fattori potessero essere sufficienti per quadrare le galassie molto antiche che si illuminano sugli strumenti di JWST con ΛCDM. "Penso che in realtà sia più probabile che possiamo accogliere queste osservazioni all'interno del paradigma standard", ha affermato Rachel Somerville, un astrofisico del Flatiron Institute (che, come Quanta Magazine, è finanziato dalla Simons Foundation). In tal caso, ha detto, “quello che impariamo è: quanto velocemente gli aloni [di materia oscura] possono raccogliere il gas? Quanto velocemente possiamo far raffreddare il gas e renderlo denso e creare stelle? Forse ciò accade più velocemente nell'universo primordiale; forse il gas è più denso; forse in qualche modo sta scorrendo più velocemente. Penso che stiamo ancora imparando a conoscere questi processi.

Somerville studia anche la possibilità che i buchi neri abbiano interferito con il baby cosmo. Gli astronomi hanno si accorse alcuni buchi neri supermassicci luminosi con uno spostamento verso il rosso di 6 o 7, circa un miliardo di anni dopo il Big Bang. È difficile concepire come, a quel punto, le stelle si siano formate, siano morte e poi siano collassate in buchi neri che hanno divorato tutto ciò che le circondava e iniziato a emettere radiazioni.

Ma se ci sono buchi neri all'interno delle presunte galassie primordiali, questo potrebbe spiegare perché le galassie sembrano così luminose, anche se in realtà non sono molto massicce, ha detto Somerville.

La conferma che ΛCDM può ospitare almeno alcune delle prime galassie di JWST è arrivata il giorno prima di Natale. Astronomi guidati da Benjamin Keller all'Università di Menfi controllato una manciata di importanti simulazioni di supercomputer degli universi ΛCDM e ha scoperto che le simulazioni potrebbero produrre galassie pesanti come le quattro che sono state studiate spettroscopicamente dal team di JADES. (Queste quattro sono, in particolare, più piccole e più deboli di altre presunte galassie primitive come GLASS-z12.) Nell'analisi del team, tutte le simulazioni hanno prodotto galassie delle dimensioni dei risultati di JADES con uno spostamento verso il rosso di 10. con un redshift di 13, lo stesso visto da JADES, e altri due potrebbero costruire le galassie con un redshift ancora più alto. Nessuna delle galassie JADES era in tensione con l'attuale paradigma ΛCDM, Keller e colleghi hanno riferito sul server di prestampa arxiv.org il 24 dicembre.

Sebbene manchino del peso per infrangere il modello cosmologico prevalente, le galassie di JADES hanno altre caratteristiche speciali. Hainline ha affermato che le loro stelle sembrano non inquinate dai metalli di stelle precedentemente esplose. Ciò potrebbe significare che sono stelle di Popolazione III - la prima generazione di stelle avidamente ricercata ad accendersi - e che potrebbero contribuire alla reionizzazione dell'universo. Se questo è vero, allora JWST ha già guardato indietro al periodo misterioso in cui l'universo era impostato sul suo corso attuale.

Prove Straordinarie

 La conferma spettroscopica di ulteriori galassie precoci potrebbe arrivare questa primavera, a seconda di come il comitato di allocazione del tempo di JWST dividerà le cose. Una campagna di osservazione chiamata WDEEP cercherà specificamente le galassie da meno di 300 milioni di anni dopo il Big Bang. Man mano che i ricercatori confermano le distanze di più galassie e migliorano nella stima delle loro masse, contribuiranno a stabilire il destino di ΛCDM.

Sono già in corso molte altre osservazioni che potrebbero cambiare il quadro per ΛCDM. La Freedman, che sta studiando la funzione di massa iniziale, una notte si è svegliata all'una di notte per scaricare i dati JWST sulle stelle variabili che usa come "candele standard" per misurare distanze ed età. Queste misurazioni potrebbero aiutare a risolvere un altro potenziale problema con ΛCDM, noto come tensione di Hubble. Il problema è che attualmente l'universo sembra espandersi più velocemente di quanto previsto da ΛCDM per un universo di 1 miliardi di anni. I cosmologi hanno molte possibili spiegazioni. Forse, ipotizzano alcuni cosmologi, la densità dell'energia oscura che sta accelerando l'espansione dell'universo non è costante, come in ΛCDM, ma cambia nel tempo. Cambiare la storia dell'espansione dell'universo potrebbe non solo risolvere la tensione di Hubble, ma anche rivedere i calcoli dell'età dell'universo a un dato spostamento verso il rosso. JWST potrebbe vedere una prima galassia come appariva, diciamo, 13.8 milioni di anni dopo il Big Bang invece che 500 milioni. Quindi anche le prime galassie presunte più pesanti negli specchi di JWST avrebbero avuto tutto il tempo per fondersi, dice Somerville.

Gli astronomi esauriscono i superlativi quando parlano dei primi risultati della galassia di JWST. Insaporiscono le loro conversazioni con risate, imprecazioni ed esclamazioni, anche se ricordano a se stessi l'adagio di Carl Sagan, per quanto abusato, secondo cui affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie. Non vedono l'ora di mettere le mani su più immagini e spettri, che li aiuteranno a perfezionare o modificare i loro modelli. "Questi sono i problemi migliori", ha detto Boylan-Kolchin, "perché qualunque cosa tu ottenga, la risposta è interessante".