Guardando lontano, possiamo guardare indietro nel tempo. Questo fatto semplice ma strabiliante consente agli astronomi di osservare istantanee dell'universo in momenti diversi, usandoli per mettere insieme la complessa storia dell'evoluzione cosmica. Con ogni nuovo telescopio che costruiamo, possiamo vedere più lontano e prima nella storia dell'universo. Il James Webb Space Telescope (JWST) spera di scrutare fino a quando si stavano formando le prime galassie.
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L'idea che guardare fuori corrisponda a guardare indietro è relativamente giovane. Viene dalla teoria della relatività speciale di Einstein, che afferma, tra le altre cose, che la luce viaggia alla velocità della luce e che nulla viaggia più veloce di così. Ogni giorno, non sperimentiamo quasi mai le conseguenze di questo concetto, perché la velocità della luce è così grande (300.000 km / s, o circa un milione di volte più veloce di un aereo a reazione) che questo "tempo di viaggio" è poco importante. Se accendiamo la luce o qualcuno ci invia un'e-mail dall'Europa, percepiamo questi eventi (vediamo la lampadina accendersi o riceviamo l'e-mail) come istantanei, perché la luce impiega solo una piccola frazione di secondo per viaggiare attraverso un stanza o anche intorno a tutta la Terra. Ma su scala astronomica, la finezza della velocità della luce ha profonde implicazioni.
Il sole dista circa 150 milioni di km, il che significa che la luce del sole impiega circa 8 minuti e 20 secondi per raggiungerci. Quando guardiamo il sole, vediamo una foto di 8 minuti. La nostra galassia vicina più vicina, Andromeda, dista circa 2, 5 milioni di anni luce; quando guardiamo Andromeda, lo guardiamo com'era 2, 5 milioni di anni fa. Può sembrare molto sulle scale temporali umane, ma è un tempo davvero breve per quanto riguarda le galassie; la nostra immagine "stantia" è probabilmente ancora una buona rappresentazione di come Andromeda appare oggi. Tuttavia, la vastità assoluta dell'universo assicura che ci siano molti casi per i quali conta il tempo di viaggio della luce. Se guardiamo una galassia a un miliardo di anni luce di distanza, la vediamo com'era un miliardo di anni fa, abbastanza tempo perché una galassia cambi in modo significativo.
Quindi, quanto tempo indietro possiamo vedere? La risposta a questa domanda è determinata da tre diversi fattori. Uno è il fatto che l'universo ha "solo" 13, 8 miliardi di anni, quindi non possiamo guardare indietro nel tempo a un'epoca più remota dell'inizio dell'universo, noto come Big Bang. Un altro problema - almeno se ci occupiamo di oggetti astrofisici come le galassie - è che abbiamo bisogno di qualcosa da guardare. L'universo primordiale era una minestra scottante di particelle elementari. Ci è voluto del tempo perché queste particelle si raffreddassero e si unissero in atomi, stelle e galassie. Infine, anche una volta che questi oggetti erano a posto, vederli dalla Terra molti miliardi di anni dopo richiede telescopi estremamente potenti. La luminosità delle fonti fisiche diminuisce rapidamente con la distanza e cercare di individuare una galassia a una distanza di 1 miliardo di anni luce è difficile quanto cercare di individuare il faro di un'auto a circa 60.000 miglia di distanza. Cercare di individuare la stessa galassia a una distanza di 10 miliardi di anni luce è 100 volte più difficile.
Finora, questo è stato il fattore trainante nel limitare la distanza dalle galassie più lontane che possiamo vedere. Fino agli anni '80, tutti i nostri telescopi erano basati sul terreno, dove l'atmosfera terrestre e l'inquinamento luminoso ostacolavano le loro prestazioni. Tuttavia, eravamo già a conoscenza di galassie a oltre 5 miliardi di anni luce di distanza. Il lancio di Hubble Space Telescope nel 1990 ci ha permesso di battere questo record di distanza molte volte e, mentre scrivo, la galassia più lontana conosciuta si trova a 13, 4 miliardi di anni fa in passato.
Il JWST utilizzerà la luce infrarossa per studiare ogni fase della storia cosmica, che va dai primi bagliori luminosi dopo il Big Bang alla formazione di sistemi stellari in grado di supportare la vita su pianeti come la Terra. (NASA) Questo ci porta a una delle questioni chiave dell'astronomia moderna: quali proprietà di queste galassie lontane possiamo effettivamente misurare? Mentre le osservazioni delle galassie vicine mostrano le loro forme e i loro colori in modo molto dettagliato, spesso l'unica informazione che possiamo raccogliere sulle galassie più distanti è la loro luminosità complessiva. Ma osservandoli con telescopi sensibili alle frequenze della luce oltre la portata visibile, come l'ultravioletto, la radio e l'infrarosso, possiamo scoprire indizi sulle popolazioni stellari della galassia e sulla sua distanza da noi.
Osservando le galassie a quante più diverse frequenze possibili, possiamo creare uno spettro, che mostra quanto sia luminosa la galassia in ogni tipo di luce. Poiché l'universo si sta espandendo, le onde elettromagnetiche che vengono rilevate dai nostri telescopi sono state allungate lungo la strada, e succede che la quantità di allungamento negli spettri è proporzionale alla distanza della galassia da noi. Questa relazione, chiamata Legge di Hubble, ci consente di misurare la distanza di queste galassie. Gli spettri possono anche rivelare altre proprietà, come la quantità totale di massa nelle stelle, la velocità con cui la galassia sta formando le stelle e l'età delle popolazioni stellari.
Solo pochi mesi fa, un team di astronomi statunitensi ed europei ha usato le osservazioni del telescopio spaziale Hubble e del telescopio spaziale a infrarossi Spitzer per scoprire la galassia più lontana conosciuta fino ad oggi, GN-z11. Osservato solo 400 milioni di anni dopo il Big Bang ("quando l'universo era solo il 3 percento della sua era attuale", secondo il principale investigatore Pascal Oesch) ha una massa di un miliardo di soli combinati insieme, circa 1/25 del nostro Via Lattea.
GN-z11 sta formando stelle circa 20 volte più velocemente, alla notevole velocità di 25 nuovi soli all'anno. “È sorprendente che una galassia così massiccia esistesse da 200 a 300 milioni di anni dopo che le prime stelle hanno iniziato a formarsi. Ci vuole una crescita davvero rapida, producendo stelle ad un ritmo enorme, per formare una galassia che è un miliardo di masse solari così presto ”, spiega Garth Illingworth, un altro investigatore del team di scoperta.
L'esistenza di un oggetto così massiccio in tempi così precoci si scontra con gli attuali scenari dell'assemblaggio cosmico, ponendo nuove sfide per gli scienziati che lavorano sulla modellistica della formazione e dell'evoluzione della galassia. "Questa nuova scoperta mostra che il telescopio Webb (JWST) troverà sicuramente molte di queste giovani galassie che risalgono a quando si stavano formando le prime galassie", afferma Illingworth.
Il lancio di JWST è previsto per il 2018 e orbiterà attorno al sistema Sole / Terra da una posizione speciale a 900.000 miglia di distanza da noi. Come Hubble, JWST trasporterà diversi strumenti, tra cui potenti fotocamere e spettrografi, ma avrà una maggiore sensibilità: il suo specchio primario sarà quasi sette volte più grande e la sua gamma di frequenza si estenderà molto di più nella regione a infrarossi. La diversa gamma di frequenze consentirà a JWST di rilevare spettri con allungamento maggiore, appartenenti a oggetti più lontani. Avrà anche la capacità unica di catturare spettri di 100 oggetti contemporaneamente. Con JWST, prevediamo di spingere ulteriormente la barriera della distanza, fino a un'epoca a soli 150 milioni di anni dopo il Big Bang, e di scoprire le prime galassie mai formate. JWST ci aiuterà a capire come le forme delle galassie cambiano nel tempo e quali fattori regolano le interazioni e le fusioni delle galassie.
Ma JWST non guarderà solo alle galassie. Sbirciando l'universo alla luce infrarossa, saremo in grado di vedere attraverso le spesse tende di polvere che avvolgono stelle e pianeti appena nati, fornendo una finestra sulla formazione di altri sistemi solari. Inoltre, strumenti speciali chiamati coronagraphs consentiranno l'imaging di pianeti attorno ad altre stelle e, si spera, porteranno alla scoperta di diversi pianeti simili alla Terra in grado di ospitare la vita. Per chiunque abbia mai guardato il cielo e si chiedesse cosa fosse là fuori, il prossimo decennio sarà un momento molto eccitante.
