Alcune delle antenne di ALMA fanno capolino in questa visuale panoramica dell’altopiano Chajnantor, scattata da una postazione vicino alla cima di Cerro Chico. Crediti: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)
La luce del Sole che sorge sull’altopiano di Chajnantor, in Cile, fa risplendere le 66 antenne paraboliche semovibili da 12 metri di diametro che costituiscono ALMA, l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Frutto di un progetto congiunto tra Stati Uniti, Europa e Giappone, ALMA è l’osservatorio più esteso del mondo, ed è lo strumento migliore per scrutare un’altra alba: quella dell’universo.
Un nuovo studio pubblicato su Nature racconta infatti come nuove osservazioni effettuate con ALMA abbiano permesso, per la prima volta, di individuare le deboli tracce lasciate dagli atomi di carbonio che permeavano le atmosfere interstellari di galassie primordiali, risalenti a un solo miliardo di anni dopo il Big Bang. Questo risultato indica agli scienziati che anche quell’epoca così primordiale le galassie “normali” erano già completamente formate e già piene di carbonio, pur risultando chimicamente “immature” rispetto a galassie similari ma con qualche miliardo di anni in più. In queste ultime, la maggior parte del carbonio ionizzato si trova condensato in grani di polvere, piuttosto che in semplici molecole organiche come il monossido di carbonio (CO).
«Gli astronomi stanno cercando di capire meglio come si sia passati dal gas primordiale del Big Bang agli atomi pesanti e alle molecole complesse che troviamo nelle galassie in tutto l’universo», spiega Peter Capak, del California Institute of Technology e autore principale dello studio. «Prima di ALMA, non c’era modo di esaminare direttamente galassie molto giovani, e quindi molto molto distanti, perché ogni emissione radio dovuta al carbonio sarebbe risultata semplicemente troppo debole da rilevare».
In questa grafica, le osservazioni ALMA di quattro delle nove giovanissime galassie esaminate sono messe in relazione con il campo COSMOS osservato dal telescopio spaziale Hubble. Crediti: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ), P. Capak; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF), NASA/ESA Hubble
Grazie alla sua sensibilità senza precedenti, il radiotelescopio ALMA è stato in grado di rilevare un antico “bagliore”, emesso a lunghezze d’onda millimetriche da atomi di carbonio ionizzato, vaganti tra le stelle di nove giovani galassie estremamente distanti, a quasi 13 miliardi di anni luce. La radiazione proveniente da queste galassie, oggi captata da ALMA, è stata originata quando l’universo aveva solo il sette per cento della sua età attuale.
All’epoca di formazione delle prime galassie, per un periodo che viene spesso indicato come “gli albori del cosmo” (cosmic dawn), la maggior parte dello spazio tra le stelle era riempito con una miscela di idrogeno e di elio prodotti nel Big Bang. Mano a mano che le successive generazioni di stelle massicce concludevano la loro breve ma brillante vita, esplodendo in supernove, irroravano il mezzo interstellare con una sottile polvere di elementi pesanti, per lo più di carbonio, silicio e ossigeno, forgiati nelle loro fornaci nucleari.
«La particolare firma spettrale del carbonio ionizzato è stata a lungo considerata uno strumento potenzialmente efficace per studiare l’arricchimento di galassie con elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio», dice il co-autore Chris Carilli del National Radio Astronomy Observatory. «I risultati di questo lavoro dimostrano chiaramente questo potenziale e fanno presagire un grande futuro per questo tipo di studi».
Poiché il carbonio ha una spiccata affinità per gli altri elementi chimici, non resta a lungo in uno stato ionizzato senza legarsi, per costituire molecole organiche più o meno complesse. Per questo motivo, in genere, il carbonio si trova in concentrazioni molto più basse rispetto ad altri elementi pesanti nel mezzo interstellare. Questo rende il carbonio ionizzato un ottimo tracciante per galassie non “evolute” relativamente giovani, in quanto, come spiega Capak, «è in netto contrasto con le galassie con appena 2 miliardi di anni in più, che sono piene di una polvere di elementi pesanti e presentano una concentrazione molto più bassa di carbonio ionizzato».
I ricercatori hanno anche utilizzato i dati in queste stesse osservazioni come una sorta di autovelox intergalattico, rilevando velocità di punta per il gas interstellare presente in queste galassie fino a 380 chilometri al secondo. «Si tratta di una misura che in precedenza era impossibile per galassie così distanti», commenta Capak. «Si apre una nuova finestra nella comprensione di come le prime galassie si siano formate ed evolute».
Le velocità osservate da ALMA sono simili sia a quelle osservate in normali galassie dove avviene formazione stellare, più vecchie di qualche miliardo di anni, sia nell’universo “vicino” all’epoca attuale. I dati ALMA mostrano anche che la massa di ciascuna di queste distanti galassie si attesta tra 10 e 100 miliardi di volte la massa del Sole, una quantità paragonabile alla massa della Via Lattea.
Questi risultati hanno sorpreso gli astronomi, perché finora avevano ipotizzato che una tipica galassia nell’universo primordiale dovesse essere meno energica e possedere una masse inferiore rispetto a quelle osservate in epoche successive. Invece, grazie ad ALMA è stato possibile scoprire che, pur comparso da poco sul palcoscenico cosmico, il nostro giovane universo era già in grado di sfornare quelle che gli astrofisici ritengono galassie di taglia normale. Galassie tuttavia ancora immature dal punto di vista chimico, in attesa di una feconda farcitura di nutriente polvere cosmica.