Galassia SPT0615-JD vista da una lente gravitazionale con un redshift z~10. Credits: Nasa/Stsci press release

La luce proveniente dalla galassia SPT0615-JD ha compiuto un viaggio lungo 13,3 miliardi di anni e l'anno scorso, nel 2017, è stata catturata dalle lenti dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer. Il team di ricerca diretto da Dan Coe, astronomo dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, a capo del progetto Relics (Reionization Lensing Cluster Survey) che mira a studiare le prime galassie formatesi alle origini del cosmo, ha elaborato i dati raccolti dai telescopi e ha scoperto una delle galassie più antiche mai rilevate, nata meno di 500 milioni di anni dopo il Big Bang.

Lo studio delle prime galassie è fondamentale per capire come queste si siano formate e come abbiano influenzato la successiva evoluzione dell'universo. Intorno a 380.000 anni dall'origine dello spazio-tempo le temperature dell'universo in espansione si sono abbassate a sufficienza da consentire la formazione dei primi atomi. Ma i successivi 400 milioni di anni sono ad oggi un mistero per gli astronomi. Una delle ipotesi in campo è quella della reionizzazione. Le prime stelle si pensa si siano formate intorno a 100 milioni di anni dopo il Big Bang e poco dopo si sarebbero ammassate per formare le prime galassie. L'ipotesi della reionizzazione prevede che galassie come SPT0615-JD abbiano trasformato lo spazio spazzando via la luce ultravioletta assorbita dalle nubi di gas che le circondavano; così facendo avrebbero riconvertito i primi atomi (di idrogeno) in protoni e elettroni isolati (ioni appunto).

Come gli archeologi cercano di rintracciare le più antiche tracce di civiltà sulla Terra, Dan Coe e i suoi colleghi vanno a caccia delle più antiche galassie dell'universo, reliquie del cosmo.

Negli ultimi sette anni diversi progetti avevano individuato galassie molto distanti e antiche. Clash (Cluster lensing and supernova survey with Hubble) aveva individuato 25 ammassi di galassie e una di queste, scoperta nel 2012 (Mac0647-JD), risaliva a soli 420 milioni di anni dopo il Big Bang. Nel 2016 il progetto Candle (Cosmic assembly near-infrared deep extragalactic legacy survey) ne aveva trovata una più antica di 20 milioni di anni.

Nel 2015 Relics è stato approvato come uno dei più importanti progetti a bordo del ventitreesimo programma scientifico di Hubble. Sia con la sua fotocamera a infrarossi (Wide field camera 3 infrared channel) sia con quella a luce visibile (Advanced camera for surveys) il telescopio ha catturato 41 ammassi di luce, che sono stati poi suddivisi nei loro colori costituenti ciascuno a una diversa lunghezza d'onda (da 0,4 a 1,7 micron, 7 lunghezze d'onda in tutto). Sono state così analizzate più di 100 ore di osservazioni di Hubble e 945 ore provenienti da Spitzer, che cattura luce infrarossa a lunghezze d'onda maggiori di quelle di Hubble.

Immagini del telescopio spaziale Hubble (Nasa/Esa) che mostrano alcuni dei 41 ammassi di galassie del progetto Relics. Credit: Esa/Hubble & Nasa, Relics

Fu Brett Salmon, un post-doc di Dan Coe nel 2017 a scoprire SPT0615-JD, una galassia davvero speciale: la sua luce è arrivata allungata e amplificata perché è passata attraverso una lente gravitazionale, ovvero enormi ammassi di galassie. Questi oggetti celesti hanno una massa talmente grande da curvare lo spazio-tempo nel modo descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein. La luce che viaggia nell'universo e che incontra questi ammassi gravitazionali viene deformata e ingrandita, proprio come se passasse attraverso una lente di ingrandimento, a volte persino sfaccettata e moltiplicata in molte immagini. Un effetto simile si può ottenere guardando la luce di una candela attraverso il fondo di un bicchiere: le immagini della fiammella saranno distorte e ingrandite. Sebbene il risultato possa suonare come una psichedelica distorsinoe di proporzioni letteralmente cosmiche, è proprio questo effetto lente di ingrandimento che ha consentito ai ricercatori di studiare al meglio le proprietà della luce che arrivava da così lontano.

Quella proveniente da SPT0615-JD inoltre risultava particolarmente rossa. Mano a mano che l'universo si espande infatti la luce che viaggia da distanze molto remote subisce un fenomeno gravitazionale noto come redshift, ovvero lo slittamento della lunghezza d'onda verso l'estremo rosso dello spettro luminoso. Una delle ragioni per cui la luce di una galassia può apparire slittata verso il rosso è che si tratta di una galassia antica, la cui luce ha viaggiato molto. I calcoli effettuati su SPT0615-JD hanno rivelato che il suo redshift (indicato con z) era intorno a 10, un valore che corrisponde a un'età maggiore di 13 miliardi di anni.

Relics ha trovato oltre 300 galassie che potrebbero essere nate nel primo miliardo di anni di vita dell'universo e tra queste ci sono le galassie più luminose mai osservate in questo intervallo di tempo: questo permetterà di studiarle in grande dettaglio. Con il nuovo progetto Alma (Atacama large milimiter array) si mirerà a confermare la distanza delle galassie osservate ma si cercherà anche di rintracciare ossigeno, uno dei primi elementi pesanti che si pensa potesse essere presente a quello stadio di evoluzione dell'universo.

Ma la grande attesa è per il telescopio spaziale Webb (James Webb Space Telescope), lo strumento più potente che l'umanità abbia mai costruito per guardare indietro alle origini del cosmo, il cui lancio in orbita è previsto per il 2021. Secondo Dan Coe, grazie allo sfruttamento del fenomeno della lente gravitazionale, Webb sarà in grado di identificare galassie nate nei primi 200 milioni di anni di vita dell'universo, accendendo una luce in quei meandri del cosmo che finora sono rimasti silenziosi e bui.

Guardando le profondità dell'universo il sentimento di piccolezza, dapprima vertiginoso, diventa piacevole e cullante appena viene avvolto dallo stupore che solo la sensazione di essere a contatto con l'infinito può dare.

La Via Lattea è probabilmente tanto antica quanto SPT0615-JD e non è detto che intorno a quella galassia non siano sorti dei pianeti; potrebbe essere che su alcuni di questi si siano verificate le condizioni per ospitare la vita e può darsi che qualcosa o qualcuno abbia sviluppato le capacità di guardare nella nostra direzione. Ma l'espansione dell'universo ha tenuto le due galassie a 13,3 miliardi di anni luce di distanza l'una dall'altra e se qualcuno ora dall'altra parte del cosmo si sta meravigliando di fronte all'immagine che riceve della nostra galassia fossile non è detto che lo verremo mai a sapere.