CR7, la galassia distante più brillante

Usando il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, un gruppo di astronomi guidati da David Sobral, dell’Institute of Astrophysics and Space Sciences, della Faculty of Sciences dell’Università di Lisbona in Portogallo, e del Leiden Observatory nei Paesi Bassi, ha scoperto la galassia più brillante mai trovata nell’Universo primevo trovando anche le prove della presenza di stelle di prima generazione. Questi oggetti massicci e brillanti, finora solo previsti dalle teorie, hanno prodotto i primi elementi pesanti della storia – gli elementi necessari per forgiare le stelle oggi intorno a noi, i pianeti e la vita come la conosciamo. La nuova galassia, chiamata CR7, è tre volte più brillante della più brillante galassia distante nota finora. Gli astronomi hanno teorizzato a lungo l’esistenza di una prima generazione di stelle – note come stelle di Popolazione III – nate dalla materia primordiale del Big Bang. Il nome Popolazione III è nato perché gli astronomi avevano già classificato le stelle della Via Lattea come Popolazione I (stelle come il Sole, ricche di elementi pesanti e distribuite nel disco) e Popolazione II (stelle più vecchie, con un contenuto inferiore di elementi pesanti e presenti nell’alone, nel rigonfiamento centrale e negli ammassi globulari). Tutti gli elementi chimici più pesanti – ossigeno, azoto, carbonio e ferro, essenziali per la vita – sono stati prodotti all’interno delle stelle. Ciò significa che le prime stelle devono essersi formate dagli unici elementi che già esistevano: idrogeno, elio e tracce di litio. Queste stelle di Popolazione III sarebbero state enormi – parecchie centinaia o migliaia di volte più massicce del Sole – ardenti e transitorie – dovendo esplodere come supernove dopo solo due milioni di anni. Ma finora la ricerca di una prova fisica della loro esistenza è stata inconcludente. È difficile trovare queste stelle perché dovrebbero avere una vita molto breve, ed essere state luminose in un momento in cui l’Universo era più opaco. Gli esperti hanno sbirciato nell’antico Universo, verso un periodo noto come re-ionizzazione, all’incirca 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Invece di svolgere uno studio ristretto ma profondo, in una piccola area di cielo, hanno ampliato la visuale per produrre la survey di galassie distanti più estesa cha mai sia stata tentata. Il loro studio dilatato è stato realizzato grazie al VLT con la collaborazione dell’Osservatorio W.M. Keck e del telescopio Subaru così come del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA. L’equipe ha scoperto – e confermato – un numero di galassie molto giovani e sorprendentemente brillanti. Una di queste, indicata come CR7, era un oggetto eccezionalmente raro, la galassia di gran lunga più brillante mai osservata in questa fase del’Universo. Con la scoperta di CR7 e altre galassie brillanti, lo studio poteva considerarsi già un successo, ma ulteriori indagini hanno fornito altre notizie stimolanti. Il soprannome CR7 viene de COSMOS Redshift 7, una misura della sua posizione in termini di tempo cosmico. Maggiore il redshift, più lontana la galassia e più indietro lo vediamo nella storia dell’Universo. A1689-zD1, una delle galassie più vecchie mai osservata, ha un redshift di 7,5. CR7 si trova nel campo COSMOS, una piccola zona di cielo nella costellazione del Sestante studiata molto intensamente. Il soprannome è stato ispirato anche dal grande calciatore portoghese, Cristiano Ronaldo, noto anche come CR7. La galassia è tre volte più brillante del precedente record, Himiko, che si pensava fosse un unico nel suo genere in questa epoca così remota. Le galassie con polvere, in fasi successive della storia dell’Unvierso, possono irradiare più energia totale rispetto a CR7, sotto forma di radiazione infrarossa da polvere calda. L’energia di CR7 è soprattutto nella luce visibile e ultravioletta. Gli strumenti X-shooter e SINFONI sul VLT hanno trovato in CR7 una forte emissione dell’elio ionizzato ma – sorprendentemente – nessun segno di elementi più pesanti in una zona brillante della galassia. Ciò significa che l’equipe ha scoperto la prima evidenza significativa della presenza di gruppi di stelle di Popolazione III che hanno ionizzato il gas all’interno di una galassia nell’Universo primevo. L’equipe ha considerato due teorie alternative: che la sorgente di luce fosse un AGN o una stella Wolf-Rayet. La mancanza di elementi pesanti, e altre evidenze confutano queste teorie. L’equipe ha considerato anche che la sorgente potrebbe essere un buco nero prodotto per collasso diretto, oggetti esotici e comunque puramente teorici. La mancanza di una riga di emissione larga e il fatto che le luminosità dell’elio e dell’idrogeno fossero molto maggiori di quanto era stato previsto per un buco nero indicano che anche questa ipotesi è improbabile. La mancanza di emissione X sarebbe una prova ulteriore contro questa ipotesi, ma servono ulteriori osservazioni. «La scoperta ha messo in crisi fin dall’inizio le nostre aspettative», ha detto Sobral, «poiché non ci aspettavamo di trovare una galassia così brillante. Successivamente, scoprendo un pezzo per volta la natura di CR7, abbiamo capito che non solo avevamo trovato la galassia distante più luminosa, ma abbiamo anche iniziato a capire che aveva tutte le caratteristiche previste per le stelle di Popolazione III. Queste stelle sono proprio quelle che hanno formato i primi elementi pesanti che alla fine hanno permesso a noi di essere qui. Non poteva essere più entusiasmante di così». All’interno di CR7 sono stati trovati ammassi di stelle più blu e un po’ più rossi, a indicare che la formazione di stelle di Popolazione III è avvenuta a ondate, come previsto. Ciò che l’equipe ha osservato direttamente è stata l’ultima ondata di stelle di Popolazione III, come a dire che queste stelle dovrebbero essere più facili da trovare di quanto si pensasse: si trovano tra le stelle normali, nelle galassie più brillanti, non solo nelle prime galassie più piccole e più deboli, tanto fioche da essere veramente difficili da studiare. Jorryt Matthee, secondo autore dell’articolo, ha concluso: «Mi sono sempre chiesto da dove veniamo. Fin da bambino volevo sapere da dove venivano gli elementi: il calcio nelle mie ossa, il carbonio nei miei muscoli e il ferro nel mio sangue. Ho scoperto che questi si sono formati all’inizio dell’Universo, dalla prima generazione di stelle. Con questa scoperta, stiamo davvero iniziando a vedere questi oggetti per la prima volta». Ulteriori osservazioni con il VLT, con ALMA e con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA sono previste per confermare che sono state osservate veramente stelle di Popolazione III e per cercare di identificarne ulteriori esempi.
di Eleonora Ferroni (INAF)

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