Credito d'immagine: ESO
Un team di astronomi con sede alle Hawaii ha scoperto una galassia lontana a 12,8 miliardi di anni luce di distanza che ci mostra che aspetto aveva l'Universo quando aveva solo 900 milioni di anni. Hanno trovato la galassia usando una telecamera speciale installata sul telescopio Canada-Francia-Hawaii che cerca oggetti distanti con una frequenza di luce molto specifica. Scoprendo questa galassia, situata nella costellazione di Cetus, proprio vicino alla stella Mira, il team ha sviluppato una nuova metodologia per scoprire oggetti distanti che dovrebbero aiutare i futuri osservatori a guardare ancora più lontano nel passato.
Con telescopi e strumenti migliorati, sono diventate possibili osservazioni di galassie estremamente remote e deboli fino a poco tempo fa i sogni degli astronomi.
Uno di questi oggetti è stato trovato da un team di astronomi [2] con una telecamera a campo largo installata sul telescopio Canada-Francia-Hawaii a Mauna Kea (Hawaii, Stati Uniti) durante una ricerca di galassie estremamente distanti. Designato "z6VDF J022803-041618", è stato rilevato a causa del suo colore insolito, essendo visibile solo sulle immagini ottenute attraverso uno speciale filtro ottico che isola la luce in una stretta banda a infrarossi vicini.
Uno spettro di follow-up di questo oggetto con lo strumento multimodale FORS2 presso il Very Large Telescope dell'ESO (VLT) ha confermato che si tratta di una galassia molto distante (il redshift è 6,17 [3]). Si vede com'era quando l'Universo aveva solo circa 900 milioni di anni.
z6VDF J022803-041618 è una delle galassie più distanti per le quali sono stati ottenuti spettri finora. È interessante notare che è stato scoperto a causa della luce emessa dalle sue massicce stelle e non, come inizialmente previsto, dall'emissione di idrogeno.
Una breve storia del primo universo
La maggior parte degli scienziati concorda sul fatto che l'Universo emanasse da uno stato iniziale caldo ed estremamente denso in un Big Bang. Le ultime osservazioni indicano che questo evento cruciale si è verificato circa 13.700 milioni di anni fa.
Durante i primi minuti, furono prodotte enormi quantità di idrogeno e nuclei di elio con protoni e neutroni. C'erano anche molti elettroni liberi e durante l'epoca seguente, i numerosi fotoni furono dispersi da questi e dai nuclei atomici. A questo punto, l'Universo era completamente opaco.
Dopo circa 100.000 anni, l'Universo si era raffreddato di qualche migliaio di gradi e ora i nuclei e gli elettroni si combinavano per formare atomi. I fotoni non furono più dispersi da questi e l'Universo divenne improvvisamente trasparente. I cosmologi si riferiscono a questo momento come "epoca di ricombinazione". La radiazione di fondo a microonde che ora osserviamo da tutte le direzioni raffigura lo stato di grande uniformità nell'Universo in quell'epoca lontana.
Nella fase successiva, gli atomi primordiali - oltre il 99% dei quali erano di idrogeno ed elio - si spostarono insieme e iniziarono a formare enormi nuvole da cui successivamente emersero stelle e galassie. La prima generazione di stelle e, un po 'più tardi, le prime galassie e quasar [4], produssero radiazioni ultraviolette intense. Quella radiazione non viaggiava molto lontano, tuttavia, nonostante il fatto che l'Universo fosse diventato trasparente molto tempo fa. Questo perché i fotoni ultravioletti (a lunghezza d'onda corta) verrebbero immediatamente assorbiti dagli atomi di idrogeno, "eliminando" gli elettroni da quegli atomi, mentre i fotoni a lunghezza d'onda più lunga potrebbero viaggiare molto più lontano. Il gas intergalattico si è quindi nuovamente ionizzato in sfere in costante crescita attorno alle fonti ionizzanti.
Ad un certo momento, queste sfere erano diventate così grandi da sovrapporsi completamente; questo è indicato come "epoca di reionizzazione". Fino ad allora, la radiazione ultravioletta è stata assorbita dagli atomi, ma l'Universo ora è diventato trasparente anche a questa radiazione. Prima, la luce ultravioletta di quelle prime stelle e galassie non poteva essere vista su grandi distanze, ma ora l'Universo sembrava improvvisamente pieno di oggetti luminosi. È per questo motivo che l'intervallo di tempo tra le epoche della "ricombinazione" e della "reionizzazione" viene definito "Medioevo".
Quando fu la fine del "Medioevo"?
L'esatta epoca della reionizzazione è oggetto di un dibattito attivo tra gli astronomi, ma i recenti risultati delle osservazioni del suolo e dello spazio indicano che il "Medioevo" è durato alcune centinaia di milioni di anni. Sono attualmente in corso vari programmi di ricerca che tentano di determinare meglio quando si sono verificati questi primi eventi. Per questo, è necessario trovare e studiare in dettaglio i primi e quindi i più lontani oggetti nell'Universo - e questo è uno sforzo osservativo molto impegnativo.
La luce è attenuata dal quadrato della distanza e più guardiamo nello spazio per osservare un oggetto - e quindi più indietro nel tempo lo vediamo - più debole appare. Allo stesso tempo, la sua luce fioca viene spostata verso la regione rossa dello spettro a causa dell'espansione dell'Universo: maggiore è la distanza, maggiore è lo spostamento verso il rosso osservato [3].
La linea di emissione di Lyman-alpha
Con i telescopi a terra, i limiti di rilevamento più deboli sono raggiunti dalle osservazioni nella parte visibile dello spettro. Il rilevamento di oggetti molto distanti richiede quindi l'osservazione di firme spettrali ultraviolette che sono state spostate verso il rosso nella regione visibile. Normalmente, gli astronomi usano per questo la linea di emissione spettrale Lyman-alpha spostata in rosso con lunghezza d'onda di riposo 121,6 nm; corrisponde ai fotoni emessi dagli atomi di idrogeno quando cambiano da uno stato eccitato al loro stato fondamentale.
Un modo ovvio di cercare le galassie più distanti è quindi quello di cercare l'emissione di Lyman-alfa alle lunghezze d'onda più rosse (più lunghe) possibili. Più lunga è la lunghezza d'onda della linea alfa-linfa osservata, maggiore è lo spostamento verso il rosso e la distanza, e prima è l'epoca in cui vediamo la galassia e più ci avviciniamo al momento che ha segnato la fine del "Medioevo" ”.
I rivelatori CCD utilizzati negli strumenti astronomici (così come nelle fotocamere digitali commerciali) sono sensibili alla luce di lunghezze d'onda fino a circa 1000 nm (1? M), cioè nella regione spettrale molto vicino all'infrarosso, oltre la luce più rossa che può essere percepito dall'occhio umano a circa 700-750 nm.
Il luminoso cielo notturno nel vicino infrarosso
C'è un altro problema, tuttavia, per questo tipo di lavoro. La ricerca di deboli emissioni di Lyman-alpha da galassie distanti è complicata dal fatto che anche l'atmosfera terrestre - attraverso la quale devono guardare tutti i telescopi terrestri - emette luce. Ciò è particolarmente vero nella parte rossa e nel vicino infrarosso dello spettro in cui centinaia di linee di emissione discrete provengono dalla molecola ossidrilica (il radicale OH) che è presente nell'atmosfera terrestre superiore ad un'altitudine di circa 80 km (vedi foto PR 13a / 03).
Questa forte emissione che gli astronomi chiamano "lo sfondo del cielo" è responsabile del limite di svenimento al quale gli oggetti celesti possono essere rilevati con telescopi terrestri a lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Tuttavia, ci sono fortunatamente intervalli spettrali di "basso OH-background" in cui queste linee di emissione sono molto più deboli, consentendo così un limite di rilevamento più debole dalle osservazioni al suolo. Due di queste "finestre del cielo scuro" sono evidenti in PR Photo 13a / 03 vicino a lunghezze d'onda di 820 e 920 nm.
Considerando questi aspetti, un modo promettente per cercare in modo efficiente le galassie più distanti è quindi quello di osservare a lunghezze d'onda vicine a 920 nm per mezzo di un filtro ottico a banda stretta. L'adattamento della larghezza spettrale di questo filtro a circa 10 nm consente di rilevare quanta più luce possibile dagli oggetti celesti quando emessi in una linea spettrale corrispondente al filtro, riducendo al minimo l'influenza negativa dell'emissione del cielo.
In altre parole, con un massimo di luce raccolta dagli oggetti distanti e un minimo di luce disturbante dall'atmosfera terrestre, le possibilità di rilevare quegli oggetti distanti sono ottimali. Gli astronomi parlano di "massimizzare il contrasto" di oggetti che mostrano linee di emissione a questa lunghezza d'onda.
Il programma di ricerca CFHT
Sulla base delle considerazioni di cui sopra, un team internazionale di astronomi [2] ha installato un filtro ottico a banda stretta centrato sulla lunghezza d'onda del vicino infrarosso 920 nm sullo strumento CFH12K del telescopio Canada-Francia-Hawaii su Mauna Kea (Hawaii, USA) per cercare galassie estremamente distanti. La CFH12K è una fotocamera grandangolare utilizzata al centro dell'attenzione della CFHT, che offre un campo visivo di ca. 30 x 40 arcmin2, leggermente più grande della luna piena [5].
Confrontando le immagini dello stesso campo di cielo prese attraverso filtri diversi, gli astronomi sono stati in grado di identificare oggetti che appaiono comparativamente "luminosi" nell'immagine NB920 e "deboli" (o addirittura non visibili) nelle immagini corrispondenti ottenute attraverso gli altri filtri . Un esempio lampante è mostrato nella foto 13b / 03 di PR: l'oggetto al centro è ben visibile nell'immagine a 920 nm, ma per nulla nelle altre immagini.
La spiegazione più probabile per un oggetto con un colore così insolito è che si tratta di una galassia molto lontana per la quale la lunghezza d'onda osservata della forte linea di emissione di Lyman-alpha è vicina a 920 nm, a causa dello spostamento verso il rosso. Qualsiasi luce emessa dalla galassia a lunghezze d'onda inferiori a Lyman-alfa viene fortemente assorbita dall'interazione di gas idrogeno interstellare e intergalattico; questo è il motivo per cui l'oggetto non è visibile in tutti gli altri filtri.
Lo spettro VLT
Per conoscere la vera natura di questo oggetto, è necessario eseguire un follow-up spettroscopico, osservandone lo spettro. Ciò è stato realizzato con lo strumento multimodale FORS 2 al telescopio VEP YEPUN da 8,2 m presso l'Osservatorio Paranal dell'ESO. Questa struttura offre una combinazione perfetta di moderata risoluzione spettrale e alta sensibilità in rosso per questo tipo di osservazione molto impegnativa. Lo spettro risultante (debole) è mostrato in PR Photo 13c / 03.
La foto 13d / 03 di PR mostra una traccia dello spettro finale ("pulito") dell'oggetto dopo l'estrazione dall'immagine mostrata nella foto 13c / 03 di PR. Viene rilevata chiaramente una linea di emissione ampia (a sinistra del centro; ingrandita nell'inserto). È asimmetrico, essendo depresso sul lato blu (a sinistra). Ciò, unito al fatto che non viene rilevata alcuna luce continua alla sinistra della linea, è una chiara firma spettrale della linea Lyman-alfa: i fotoni "più blu" del Lyman-alfa sono pesantemente assorbiti dal gas presente nella galassia stessa e nel mezzo intergalattico lungo la linea di vista tra la Terra e l'oggetto.
Le osservazioni spettroscopiche hanno quindi permesso agli astronomi di identificare inequivocabilmente questa linea come Lyman-alfa, e quindi di confermare la grande distanza (alto spostamento verso il rosso) di questo particolare oggetto. Il redshift misurato è 6,17, rendendo questo oggetto una delle galassie più distanti mai rilevate. Ha ricevuto la designazione "z6VDF J022803-041618" - la prima parte di questo nome un po 'ingombrante si riferisce al sondaggio e la seconda indica la posizione di questa galassia nel cielo.
Starlight nel primo universo
Tuttavia, queste osservazioni non sono arrivate senza sorpresa! Gli astronomi avevano sperato (e si aspettavano) di rilevare la linea Lyman-alfa dall'oggetto al centro della finestra spettrale a 920 nm. Tuttavia, mentre è stata trovata la linea Lyman-alpha, è stata posizionata a una lunghezza d'onda leggermente più corta.
Pertanto, non è stata l'emissione Lyman-alpha a causare questa "galassia" nell'immagine a banda stretta (NB920), ma l'emissione "continuum" a lunghezze d'onda più lunghe di quella di Lyman-alpha. Questa radiazione è debolmente visibile come una linea orizzontale e diffusa in PR Photo 13c / 03.
Una conseguenza è che il redshift misurato di 6,17 è inferiore al redshift originariamente previsto di circa 6,5. Un altro è che z6VDF J022803-041618 è stato rilevato dalla luce delle sue stelle massicce (il "continuum") e non dalle emissioni di idrogeno (la linea Lyman-alfa).
Questa interessante conclusione è di particolare interesse in quanto mostra che è in linea di principio possibile rilevare galassie a questa enorme distanza senza dover fare affidamento sulla linea di emissione Lyman-alfa, che potrebbe non essere sempre presente negli spettri delle galassie distanti. Ciò fornirà agli astronomi un quadro più completo della popolazione di galassie nell'Universo primordiale.
Inoltre, osservare sempre più queste galassie distanti aiuterà a comprendere meglio lo stato di ionizzazione dell'Universo a questa età: la luce ultravioletta emessa da queste galassie non dovrebbe raggiungerci in un Universo "neutro", cioè prima che si verifichi la reionizzazione . La caccia a più di queste galassie è ora in corso per chiarire come è avvenuta la transizione dall'età oscura!
Fonte originale: Comunicato stampa ESO
