I segreti delle galassie primordiali: il telescopio Webb riscrive l'alba del cosmo

Immaginate di sorvolare di notte una grande città e di doverne stimare gli abitanti guardando dal finestrino. Contereste le torri illuminate, moltiplichereste per le finestre accese, e arrivereste a un numero. Sarebbe sbagliato, e di parecchio. La maggior parte delle persone dorme nelle case basse della periferia, in edifici che da quell'altezza non si distinguono nemmeno dal buio. Le luci che vedete non vi dicono quante persone ci sono: vi dicono soltanto dove sono i palazzi alti.

È esattamente il problema che hanno gli astronomi quando devono pesare una galassia lontana miliardi di anni luce. Di quella galassia arriva un filo di luce, e quella luce è dominata dalle poche stelle enormi e brillanti, che sono rare ma sfolgoranti. Le stelle piccole, quelle che pesano una frazione del nostro Sole, sono la vera folla: costituiscono il grosso della massa e quasi nulla della luminosità. Per passare dalla luce alla massa serve quindi conoscere in che proporzioni una galassia fabbrica stelle grandi e stelle piccole. Quella proporzione ha un nome tecnico, funzione di massa iniziale, e fino a oggi veniva ricavata da un'assunzione tanto comoda quanto indimostrata: che le galassie lontane sfornino stelle nelle stesse proporzioni in cui le sforna la Via Lattea.

Il censimento delle case basse

Un gruppo internazionale guidato dall'Università di Leida ha deciso di mettere alla prova quell'assunzione, e i risultati sono usciti in agosto su Nature Astronomy. Il metodo è ingegnoso, perché aggira l'ostacolo di fondo: quelle stelle sono troppo deboli per essere viste una a una a simili distanze, ma non sono invisibili. Assorbono la luce a lunghezze d'onda ben precise, e lasciano nello spettro complessivo della galassia una firma sottile, un insieme di righe scure che un occhio abbastanza sensibile può riconoscere anche sotto il bagliore delle stelle giganti.

L'occhio abbastanza sensibile è il telescopio spaziale James Webb, frutto della collaborazione tra NASA, ESA e CSA. Nell'ambito del programma IMFERNO, il gruppo ha raccolto con lo spettrografo NIRSpec spettri estremamente profondi di 9 galassie massicce e mature, che hanno smesso di formare stelle miliardi di anni fa, e li ha estesi verso il blu con osservazioni già disponibili del Very Large Telescope dell'ESO in Cile. Sono galassie che vediamo come erano circa 7 miliardi di anni fa: lontane, ma non ai confini del tempo.

Il risultato è che diverse di queste galassie contengono molte più stelle di piccola massa di quante ne prevedesse la ricetta della Via Lattea. In gergo si dice che hanno una funzione di massa iniziale "sbilanciata verso il basso". Chloe Cheng, che ha condotto l'analisi, ha usato proprio l'immagine urbana: se una galassia fosse una città, le stelle più brillanti sarebbero i grattacieli che si notano da lontano, e i modelli mostrano che dietro quei pochi grattacieli si nasconde una popolazione ben più numerosa di case.

Perché la faccenda riguarda l'alba dell'universo

Fin qui parliamo di galassie di mezza età. Il punto delicato arriva adesso. Due delle nove sono molto più vecchie delle altre, e sono con ogni probabilità le discendenti dirette di quelle galassie sorprendentemente grandi che il Webb ha trovato nel primo miliardo di anni dopo il Big Bang, quelle che gli addetti ai lavori chiamano ormai "impossibilmente precoci" perché non sembra esserci stato il tempo materiale per costruirle. Per queste due galassie il conteggio delle stelle nascoste fa salire la massa stellare di un fattore compreso fra 3 e 4. Per una di esse, le cui stelle si sono formate meno di 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, l'effetto arriva al limite superiore di quell'intervallo.

Conviene dire con chiarezza quanto è solido ciascun anello della catena. La misura riguarda le discendenti, non le antenate. Nessuno ha ancora misurato la funzione di massa iniziale delle galassie primordiali vere e proprie, e il gruppo di Leida ha già annunciato che nei prossimi anni proverà ad applicare il metodo a oggetti sempre più lontani. Se anche laggiù la proporzione di stelle piccole si rivelasse in eccesso, quelle galassie diventerebbero da 3 a 4 volte più massicce di come le contiamo oggi, e il problema di spiegarle si aggraverebbe invece di risolversi. Come ha osservato Joel Leja della Penn State University, sono galassie difficili da capire proprio perché sono più massicce del previsto, e aggiungere stelle non fa che allargare la distanza dai modelli.

Come si costruisce una galassia

Per capire perché quella distanza è imbarazzante, conviene guardare come si è costruita la galassia che conosciamo meglio. La Via Lattea è arrivata alle dimensioni attuali in parte fabbricando stelle dalle proprie nubi di gas, in parte inglobando galassie più piccole, con i loro astri, il loro gas e la loro materia oscura. È un processo lento, fatto di incontri, e ogni incontro lascia tracce che si possono leggere a distanza di miliardi di anni.

Proprio in agosto, un altro studio pubblicato su Nature Astronomy ne ha portato alla luce uno dei più antichi. Un gruppo guidato da Davide Massari, dell'Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, ha analizzato con il telescopio spaziale Hubble di NASA ed ESA 39 ammassi globulari situati entro 20.000 anni luce dal centro galattico, dove le tracce delle fusioni più remote si conservano meglio. Misurando età e metallicità di ciascun ammasso, il gruppo ha individuato una terza popolazione, distinta sia dagli ammassi nati nella Via Lattea sia da quelli catturati alla galassia nana Gaia-Sausage-Enceladus circa 10 miliardi di anni fa. Sono i resti di una fusione con una galassia nana battezzata LKH, avvenuta circa 11,8 miliardi di anni fa, appena 2 miliardi di anni dopo il Big Bang: 1,8 miliardi di anni prima di quella che finora era la più antica fusione documentata.

La nostra storia di famiglia si allunga, dunque, ma la morale non cambia: crescere per fusioni successive richiede tempo. Trovare galassie già enormi e già mature quando l'universo aveva poche centinaia di milioni di anni significa che all'alba dei tempi doveva funzionare qualcos'altro, un meccanismo capace di assemblare in fretta quantità di stelle che oggi facciamo fatica a giustificare.

E se ci fossero anche più pianeti

C'è una conseguenza che va oltre la contabilità delle masse. Le stelle piccole e fredde, le nane rosse, sono ospiti frequenti di sistemi planetari: attorno a stelle di quel tipo abbiamo scoperto negli ultimi anni una quantità notevole di pianeti. Mariska Kriek, dell'Osservatorio di Leida, che ha diretto la ricerca, ha fatto notare che se le stelle di piccola massa erano più abbondanti del previsto, allora anche i pianeti potrebbero essere stati più numerosi nell'universo giovane di quanto si immaginasse.

È un'ipotesi, e va presa come tale. Costruire pianeti rocciosi richiede elementi pesanti, e l'universo delle primissime generazioni stellari era fatto quasi soltanto di idrogeno ed elio: la sola abbondanza di stelle piccole non basta a garantire un'abbondanza di mondi. Ma è il tipo di domanda che vale la pena porsi, perché sposta all'indietro il momento in cui il cosmo ha cominciato a fabbricare superfici solide.

Resta un'ultima considerazione, forse la più istruttiva. La funzione di massa iniziale non è un dettaglio da specialisti: è uno di quei mattoni nascosti su cui poggiano decine di numeri che diamo per assodati, dalle masse delle galassie ai ritmi di formazione stellare. Per trent'anni l'abbiamo presa in prestito dalla Via Lattea perché non avevamo modo di misurarla altrove. Ora che qualcuno l'ha misurata davvero, si scopre che il prestito non era gratuito. È così che funziona: ogni strumento più potente non si limita a rispondere alle domande vecchie, ma va a controllare le assunzioni che nessuno aveva mai potuto verificare.