Da quando è stato lanciato in orbita, il telescopio James Webb ha dimostrato di poter assolvere con successo al principale compito per il quale è stato progettato e costruito: rispondere ai misteri dell'universo più profondo e capire come e quando si siano formate la Via Lattea e le altre galassie.

Le immagini multi-lunghezza d'onda acquisite con lo strumento NIRCam a bordo del JWST hanno adesso permesso a un team internazionale di scienziati, tra cui diversi astronomi che insegnano a Padova o che presso l'ateneo patavino hanno conseguito il dottorato di ricerca, di identificare una galassia simile alla Via Lattea, ma talmente lontana da far vacillare i modelli teorici secondo cui le turbolenze dell'universo primordiale impediscono la formazione di oggetti dalla forma regolare e definita. 

Uno studio, intitolato "A Milky Way-like barred spiral galaxy at a redshift of 3" e pubblicato di recente sulla rivista Nature, ha infatti rivelato che galassie simili alla nostra, contraddistinte dalla presenza di una barra ben formata da cui si dipartono i bracci a spirale, esistevano già quando l’universo aveva poco più di 2 miliardi di anni. In precedenza si riteneva invece che questa tipologia di galassie non potesse formarsi prima che l'universo, che si stima abbia circa 13,8 miliardi di anni, avesse raggiunto la metà della sua vita. 

La galassia identificata dagli autori di questo studio è stata denominata ceers-2112 (dal nome del progetto osservativo "Cosmic Evolution Early Release Science" che ne ha permesso la scoperta) e si trova a una distanza di oltre 21 miliardi di anni luce, nella direzione della costellazione di Boote. In cosmologia più si riesce a guardare lontano, e con strumenti come il telescopio James Webb è oggi possibile arrivare a distanze che prima d'ora non erano assolutamente proponibili, più si riesce a riavvolgere indietro il "nastro" che ha catturato i primi momenti di formazione dell'universo: scrutare nello spazio profondo significa infatti poter tornare indietro nel tempo.

A paper in @Nature reports observations of ceers-2112 that show that this galaxy, at a redshift of 3, unexpectedly has a barred spiral structure. https://t.co/ENLSmAR1ic pic.twitter.com/IycGVptIhZ

— Nature Portfolio (@NaturePortfolio) November 14, 2023

Gli astronomi studiano la struttura delle galassie a distanze sempre più grandi e quindi in epoche sempre più remote cercando di ricostruire i meccanismi di formazione e la storia evolutiva della nostra galassia. La Via Lattea è caratterizzata da una forma che ricorda quella di una girandola per via dei lunghi bracci a spirale che si sviluppano dal suo centro. Proprio lì, nel suo cuore, presenta una barra e questa peculiarità è ritenuta tipica delle galassie più mature.

Galassie simili alla Via Lattea sono oggi numerose ma si pensava che nell'Universo primordiale fossero estremamente rare e il telescopio spaziale Hubble, dotato di una sensibilità inferiore rispetto a James Webb, aveva confermato che i sistemi galattici più lontani tendono ad avere un aspetto molto irregolare e caotico, dovuto a processi di interazione e fusione con altre galassie. Ma, come sperimentò anche Galileo Galilei, ogni volta che entra in funzione un nuovo telescopio gli orizzonti della conoscenza si allargano e le previsioni teoriche precedentemente elaborate possono avere necessità di essere riviste. Come prevede il metodo scientifico. 

Per avere maggiori dettagli sulla galassia ceers-2112 abbiamo intervistato Luca Costantin che ha conseguito il dottorato di ricerca in Astronomia all’università di Padova nel 2018 e oggi è ricercatore al Centro di astrobiologia di Madrid ed Enrico Maria Corsini, professore ordinario del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova. Costanin, primo autore dello studio, collabora da un paio di anni con la campagna osservativa CEERS che ha già portato anche ad altre pubblicazioni che sono concordi nel ritenere che le galassie sono evolute verso una forma regolare molto tempo prima di quanto non si pensasse in precedenza.

Alla ricerca su questa galassia "gemella" della Via Lattea hanno collaborato anche altri scienziati che hanno ottenuto il dottorato a Padova focalizzandosi sulla struttura delle galassie: Chiara Buttitta, oggi ricercatrice postdoc presso l’INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Jairo Méndez Abreu, professore presso l’Universidad de La Laguna in Spagna e Lorenzo Morelli, professore presso l’Universidad de Atacama in Cile.

Ceers-2112: una "sorella minore" della Via Lattea

Ceers-2112 può essere considerata un vero e proprio precursore della Via Lattea perché si trova ad un epoca in cui l'Universo era ancora molto giovane. "La sua peculiarità - spiega Luca Costantin - è che ha la stessa massa, cioè la stessa quantità di stelle, che si suppone avesse la Via Lattea in quello stesso istante di vita dell’universo", cioè quando erano trascorsi circa 2 miliardi di anni dal Big Bang. 

"Ha una struttura che è caratteristica della Via Lattea perché nella sua zona centrale presenta la barra galattica e accenna dei bracci di spirale. Quindi è la galassia a spirale barrata più lontana identificata fino ad oggi", continua il primo autore dello studio. 

Il ruolo della barra galattica

Ma qual è il ruolo della barra in una galassia e perché finora è stata ritenuta un segno di "anzianità"? Per rispondere a questa domanda il professor Enrico Maria Corsini fa un passo indietro e si sofferma sui meccanismi di formazione delle galassie. "Quello che pensiamo è che ci siano enormi nubi di gas in rotazione che si schiacciano e nelle regioni in cui questo schiacciamento favorisce le concentrazioni di gas si formano poi le stelle. Queste stelle dovrebbero ruotare su orbite pressoché circolari, senza deviarsi. Tuttavia nelle zone centrali ci sono delle piccole irregolarità verso cui si addensano le stelle e in queste aree le loro orbite diventano ellittiche e molto allungate. Il risultato è che vediamo una concentrazione di luce, di forma molto allungata, che chiamiamo barra".

"La barra ha un ruolo importante nella vita della galassia perché permette di ridistribuire le stelle, ridistribuire il gas da cui poi si formano nuove stelle e in qualche modo ci dà un’idea della struttura della galassia e della possibile distribuzione della materia oscura che non vediamo", continua il professore del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova.

Ceers-2112 "costringe" a un ripensamento dei modelli teorici 

Nel 1926 l’astronomo americano Edwin Hubble sviluppò un primo sistema di classificazione dei tipi di galassie basato sulla loro morfologia. Questo schema è stato perfezionato nel corso dei decenni successivi, con il progresso della tecnologia e degli strumenti di osservazione. "In passato si pensava che le galassie barrate fossero l’eccezione o comunque una peculiarità. Oggi sappiamo invece che la maggioranza delle galassie a spirale è barrata. Quello che pensavamo di conoscere sulla formazione ed evoluzione delle galassie è che si parte da oggetti piccoli che si fondono e vanno a costituire galassie via via più grandi.

Questo processo di fusione è molto più frequente tra le stelle più remote quando le densità erano più alte e le distanze tra le galassie più ravvicinate. Quello che si pensava è che più si va ad esplorare l’universo in epoche remote più dovremmo osservare galassie più piccole e con forme molto più caotiche e irregolari. Galassie caotiche le vediamo anche nell’universo vicino, però l’idea è che ce ne fossero molto di più e fossero dominanti nell’universo lontano", spiega Enrico Maria Corsini.

Già in passato, puntualizza il docente, con le osservazioni dei primi grandi telescopi erano state trovati alcuni casi di galassie ellittiche in epoche troppo remote ma questa scoperta era stata derubricata come se fossero dei casi eccezionali, che ci sono sempre.

"Invece il telescopio James Webb ci sta facendo vedere che avere galassie grandi e con una struttura regolare in epoche remote non è un’eccezione. Inoltre la presenza della barra è ancora più sorprendente perché riteniamo che la formazione di una struttura di questo tipo richieda circa un miliardo di anni, ma dobbiamo anche considerare che questo processo avviene in una fase successiva, quando la galassia è cresciuta, si è stabilizzata e si è dotata di un disco", spiega Corsini.

"Trovare una galassia che presenta una spirale regolare e una barra quando l’universo aveva 2 miliardi di anni, ci mette un po’ in crisi", afferma esplicitamente il docente spiegando che un oggetto come ceres-2112 sembra davvero avere avuto a disposizione troppo poco tempo per sviluppare tutte le sue caratteristiche. "E quindi abbiamo due alternative: dobbiamo rivedere le nostre idee sulla formazione delle galassie, oppure dobbiamo riconsiderare le nostre conoscenze sulla cosmologia, cioè i tempi di evoluzione dell’universo. Oppure entrambe le cose, il che è assolutamente affascinante e stimolante", osserva il coautore dello studio. 

Ceers-2112 si trova infatti a un redshift di 3 e l'eccezionalità di questa osservazione consiste nel fatto che finora non erano mai state trovate galassie simili oltre un redshift di 2. Lo spostamento verso il rosso è quell'effetto, dovuto all'espansione dell'Universo, che permette di valutare la distanza cosmologica di un oggetto. La luce emessa dalle galassie più lontane ricade per lo più nella parte infrarossa dello spettro, ma prima del telescopio James Webb rilevare la luce di queste sorgenti così remote presentava enormi difficoltà perché gli strumenti a disposizione non erano sufficientemente sensibili. 

Il programma osservativo Cosmic Evolution Early Release Science

Le scoperte sulla galassia ceers-2112 sono state ottenute nell'ambito del programma osservativo “Cosmic Evolution Early Release Science” (CEERS), diretto da Steven L. Finkelstein dell’Università del Texas. L'obiettivo di questo progetto è studiare nel dettaglio la struttura delle galassie lontane, nelle prime fasi di vita dell’Universo. Luca Costantin fa parte di questa collaborazione da circa due anni e ci spiega che ogni ricercatore può proporre il proprio caso scientifico principale. In un primo momento l'osservazione delle singole immagini della galassia ceers-2112, ottenute in diverse bande fotometriche infrarosse, non aveva consentito l'identificazione di una barra ma la combinazione delle immagini, su intuizione di Costantin, ha permesso di vedere in modo molto più chiaro la struttura di questa galassia. 

"Dopo un anno di studio e di analisi siamo riusciti a identificare la sua struttura e a ricostruire la quantità di stelle che aveva all’epoca. Ma tutto è cominciato con l’osservazione delle prime immagini, nel giugno del 2022. Riuscire a vedere così tanti dettagli è stata una enorme sorpresa e poi abbiamo cominciato a capire i processi fisici avvenuti in queste fasi così lontane e remote dell’universo", racconta il ricercatore del Centro di astrobiologia di Madrid.

Crediti: E. M. Corsini (Università di Padova). Rappresentazione artistica della Via Lattea (Nick Risinger) e immagine composita di ceers-2112 ottenuta con JWST (L. Costantin e CEERS Team)

NIRCam a bordo del telescopio James Webb

Il James Webb Space Telescope è il più avanzato telescopio spaziale a raggi infrarossi mai realizzato ed è dotato di quattro diversi strumenti scientifici. Per effettuare questa scoperta è stato utilizzato lo strumento principale NIRCam (Near Infrared Camera) che lavora nell’infrarosso vicino, nell’intervallo di lunghezza d’onda tra 0,6 e 5 micrometri, e riesce ad ottenere immagini ad alta risoluzione.

"E' la camera più sensibile che siamo riusciti a costruire. Inoltre è nello spazio e quindi non ci sono tutti gli effetti dovuti alle turbolenze dell’atmosfera che possono sfocare le immagini che otteniamo dalla Terra. Abbiamo un’immagine veramente nitida di queste galassie e lo strumento è particolarmente sensibile. Le prime galassie che si formarono nell’universo sono oggetti veramente deboli ma adesso riusciamo ad osservarle. E’ una combinazione di sensibilità e accuratezza di dettagli", spiega Luca Costantin.

"La lunghezza d’onda dove sta lavorando questa camera è diversa dalle camere del telescopio Hubble che lavorano nel rango ottico. Questo è molto importante perché spostarsi verso lunghezze d’onda maggiori, in questo caso verso il rosso, è fondamentale per vedere le stelle più vecchie di queste galassie così lontane. Siccome l’universo si sta espandendo la sua luce non ci arriva sempre nella stessa parte dello spettro elettromagnetico, però più le galassie sono lontane e più la loro luce arriva a lunghezze d’onda maggiori. Per la prima volta nello spazio abbiamo camere così sensibili che stanno guardando queste lunghezze d’onda e ci permettono di vedere le stelle più mature di galassie così lontane.

Le prime fasi di vita di un osservatorio così complesso come James Webb sono davvero critiche perché ogni giorno impariamo qualcosa di nuovo. E’ un lavoro continuo e il team che è dietro a queste osservazioni continua a sviluppare algoritmi con cui possiamo trattare queste immagini nel migliore modo e si suppone che Webb abbia almeno altri 5 o dieci anni di vita. Questi sono i primi studi, osservazioni sono ancora in corso e le prime galassie che abbiamo incontrato sono già sorprendenti e ci stanno dando una visione totalmente diversa dell’universo primitivo". 

Dal cannocchiale di Galileo agli occhi di James Webb

Le potenzialità del telescopio spaziale James Webb sono così grandi che promettono di portare a compimento una rivoluzione astronomica al pari di quella attuata da Galileo Galilei nel Seicento. "Ogni volta che un nuovo telescopio viene offerto alla comunità si ripete questa magia. Vediamo meglio cose che pensavamo di conoscere e ne scopriamo altre la cui esistenza ci era ignota. Galileo ha puntato il suo cannocchiale verso la luna per guardare le macchie lunari e si è reso conto che c’erano crateri e montagne. In seguito lo ha diretto verso la fascia lattiginosa della Via Lattea dopo che per secoli si era discusso se fossero o meno delle stelle. E in questo modo è riuscito a provare che si trattava di un insieme di minutissime stelle invisibili ad occhio nudo", ricorda il professor Enrico Maria Corsini.

"Il telescopio James Webb ci dà l’opportunità di valutare come procede il metodo scientifico: abbiamo delle teorie, come quella che prevede che indietro nel tempo le galassie sono piccole e irregolari, e poi si vanno a verificare con le osservazioni. Nel mezzo poi c’è tutto l’armamentario delle simulazioni numeriche che è quello che ci consente di seguire l’evoluzione della singola galassia dal momento in cui si è formata fino ad oggi. Ogni volta che qualcosa non funziona si torna indietro, si cambia e si riparte", conclude Corsini.

Dal 2021 la Torre della Specola, sede dell’INAF-Osservatorio astronomico di Padova, viene illuminata per un minuto con un colore diverso ogni volta che vi passa sopra un astro strettamente connesso alla città e alle ricerche dei suoi astronomi. Nel tardo pomeriggio dell'8 novembre la Specola è stata illuminata di rosa scuro in occasione del passaggio dI ceers-2112. Il colore è stato scelto proprio per evidenziare quanto la radiazione di questa galassia sia spostata verso le lunghezze d’onda tendenti al rosso, in virtù dell’espansione dell’Universo.

La torre della Specola, sede dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, illuminata di colore rosa scuro per festeggiare la scoperta di ceers-2112. Crediti: E. M. Corsini.