Per decenni, gli astronomi che osservavano con Hubble hanno cercato di intravedere le prime stelle dell'Universo accendersi. Le piccole galassie che hanno costruito il cosmo, però, erano troppo deboli per essere individuate, anche dagli strumenti più sofisticati. Ora, gli astronomi hanno finalmente due cose dalla loro parte: il telescopio spaziale Webb e un po' di fortuna cosmica.
In un recente articolo su Nature, un team guidato da Kimihiko Nakajima dell'Università di Kanazawa, in Giappone, ha utilizzato il James Webb Space Telescope per osservare una galassia ultra-debole chiamata LAP1-B com'era circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang. È la galassia più chimicamente primitiva mai vista - il che è tutto dire, visto quante cose primitive abbiamo avvistato.
LAP1-B dista 13 miliardi di anni luce. Nemmeno gli enormi specchi di berillio placcati d'oro del JWST bastavano da soli. Il team l'ha individuata grazie a un massiccio ammasso di galassie chiamato MACS J046, che deforma lo spaziotempo tra noi e LAP1-B come uno specchio deformante cosmico. "La galassia è stata fortemente ingrandita dall'effetto di lente gravitazionale", ha detto Nakajima. Nello specifico, lo spaziotempo distorto ha amplificato la luminosità di LAP1-B di circa 100 volte.
Anche con questo potenziamento, LAP1-B è così debole che né JWST né Hubble hanno potuto rilevare il suo continuo stellare - la luce di fondo costante delle sue stelle. Per Nakajima e colleghi, questo era di per sé un indizio. Conoscendo la distanza e la sensibilità del telescopio, hanno calcolato il limite superiore della massa stellare di LAP1-B: 3.300 Soli. Un errore di arrotondamento rispetto ai circa 100 miliardi di masse solari della Via Lattea.
La maggior parte della luce che ha colpito gli specchi del JWST non proveniva dalle stelle, ma da gas incandescente. Esaminando quel gas, il team ha capito che LAP1-B è la cosa più vicina alle prime galassie vergini mai osservata. Il bagliore proviene dalla radiazione ad alta energia di stelle massicce che colpisce le nubi di gas interstellare circostanti, facendole fluorescere. Utilizzando lo spettrografo nel vicino infrarosso del JWST, i ricercatori hanno scomposto la luce in uno spettro e cercato linee di emissione che indicassero la composizione chimica.
"Volevamo misurare quanto ossigeno fosse presente", ha detto Nakajima. L'analisi ha rivelato una profonda scarsità di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio. Il rapporto ossigeno-idrogeno in fase gassosa era solo lo 0,4% di quello che troviamo nel nostro Sole. Un altro dettaglio: carbonio triplamente ionizzato - uno stato in cui un atomo di carbonio perde metà dei suoi sei elettroni. Strappare questi elettroni richiede fotoni ultravioletti estremi con energie superiori a 47,9 elettronvolt. Le stelle standard, anche quelle massicce vicine a noi, non sono abbastanza calde. Le stelle che potrebbero diventare così calde, suggerisce il team, sono state le primissime ad accendersi nell'Universo - fatte esclusivamente di idrogeno ed elio del Big Bang, prive di elementi pesanti per raffreddarsi mentre si formavano. "Tali stelle dovrebbero formarsi da gas primordiale", ha detto Nakajima.
Le stelle di oggi, incluso il nostro Sole, sono di Popolazione I. Quelle più vecchie nell'alone galattico sono di Popolazione II, con elementi pesanti molto inferiori. Le stelle di Popolazione III sono state le prime - teorizzate come mostri violenti con masse centinaia di volte il Sole compresse in volumi piccoli, che bruciano a temperature altissime e muoiono giovani in supernove. Il team di Nakajima ha probabilmente trovato tracce di quelle esplosioni in LAP1-B.
Nonostante sia incredibilmente povera di elementi pesanti, LAP1-B ha un rapporto carbonio-ossigeno insolitamente alto - più alto del nostro Sole. I ricercatori pensano che la risposta stia in come sono morte quelle massicce stelle di prima generazione. Quando una stella di Popolazione III collassa, il suo nucleo diventa un buco nero, ma la supernova non è abbastanza energetica da far esplodere la stella. "La loro energia di legame gravitazionale è più forte di quella delle stelle massicce usuali", ha detto Nakajima. Il collasso produce una supernova debole con un significativo fallback: gli elementi più pesanti come l'ossigeno vengono risucchiati oltre l'orizzonte degli eventi, mentre gli strati esterni più leggeri ricchi di carbonio fuggono. La composizione chimica di LAP1-B sembra un'impronta digitale del gas proveniente da supernove di Popolazione III.
Un altro indizio: la velocità del gas. Misurando l'allargamento Doppler delle linee spettrali, il team ha stimato che il gas si muove a circa 30 chilometri al secondo, coerente con una piccola galassia in cui la gravità tiene insieme il tutto. Ma c'è un problema: la massa totale di LAP1-B, inclusa la materia oscura, è di circa 100 milioni di masse solari, molto più della massa stellare. Questo suggerisce che la galassia è dominata dalla materia oscura, come previsto per le galassie primordiali.
LAP1-B è un fossile dell'epoca della reionizzazione, quando le prime stelle e galassie hanno ionizzato l'idrogeno neutro che permeava l'Universo. Osservare oggetti come questo aiuta a capire come è iniziato quel processo. "Questa galassia è un esempio di come le prime galassie si siano formate e abbiano arricchito il cosmo", ha concluso Nakajima. E, a giudicare dal suo aspetto primitivo, ha ancora molto da insegnarci.