Il telescopio ha catturato la luce emessa da questi oggetti più di 13,4 miliardi di anni fa, il che significa che le galassie risalgono a meno di 400 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo aveva solo il 2% della sua età attuale.

Le prime osservazioni del JWST hanno prodotto diverse galassie candidate a distanze estreme, così come hanno fatto le precedenti osservazioni con il telescopio spaziale Hubble. Le due galassie erano tra le 60.000 fonti di luce nell’ammasso di Pandora rilevate in una delle prime immagini in campo profondo di JWST scattate durante il 2022, durante il primo anno di operazioni scientifiche. L'ammasso di Pandora, o Abell 2744, si trova a circa 3,5 miliardi di anni luce da noi ed è è stato selezionato in parte perché si trova dietro diversi ammassi di galassie che creano un effetto di ingrandimento naturale chiamato lente gravitazionale.

"Si sa molto poco dell'universo primordiale e l'unico modo per conoscere quel periodo e testare le nostre teorie sulla formazione e crescita delle galassie primordiali è studiare queste galassie molto distanti", ha affermato nella press release il primo autore Bingjie Wang, studioso post-dottorato presso la Penn State Eberly College of Science e membro del team JWST UNCOVER (Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) che ha condotto la ricerca. “Prima della nostra analisi, conoscevamo solo tre galassie confermate a questa distanza estrema. Lo studio di queste nuove galassie e delle loro proprietà ha rivelato la diversità delle galassie nell’universo primordiale e quanto c’è da imparare da esse”.

Nel giro di pochi mesi, il team di UNCOVER ha ristretto il numero delle 60.000 sorgenti luminose a 700 candidate per lo studio di follow-up, otto delle quali potevano essere potenziali antiche galassie. Quindi, JWST ha nuovamente usato l’ammasso di Pandora come lente cosmica, registrando gli spettri dei candidati, una sorta di impronta digitale che descrive in dettaglio la quantità di luce emessa a ciascuna lunghezza d’onda.

Il nuovo studio è stato pubblicato sull'Astrophysical Journal Letters.


Indietro nel tempo

La luce proveniente da queste galassie ha dovuto viaggiare a lungo per raggiungere la Terra e fornisce una finestra sul passato dell'Universo.

Il team stima che la luce rilevata da JWST sia stata emessa dalle due galassie quando l'universo aveva circa 330 milioni di anni e abbia viaggiato per circa 13,4 miliardi di anni luce per raggiungere il telescopio. Ma più una galassia è distante e più l'Universo si è espanso mentre la luce di quella galassia viaggiava attraverso lo spazio per raggiungerci. Ne consegue che anche le lunghezze d’onda di quella luce si sono allungate. Ciò significa che la luce si sposta verso il rosso (redshift), cadendo infine nella regione invisibile dell'infrarosso dello spettro elettromagnetico.

Una, denominata UNCOVER-z13 ("z" è l'abbreviazione di "redshift"), risale a 330 milioni di anni dopo il Big Bang e ha uno spostamento verso il rosso di 13,079, confermando che è la seconda galassia più distante conosciuta (la galassia confermata più distante è JADES-GS-z13-0, anch'essa scoperta dal JWST nel 2022 e ha uno spostamento verso il rosso di 13,2.). L'altra galassia scoperta di recente, UNCOVER-z12, corrisponde a 350 milioni di anni dopo il Big Bang e ha uno spostamento verso il rosso di 12.393, posizionandola al quarto posto nella lista.

“La luce proveniente da queste galassie è antica, circa tre volte più vecchia della Terra”, ha affermato Joel Leja, assistente professore di astronomia e astrofisica e co-direttore dell’Institute for Computational and Data Sciences della Penn State e membro di UNCOVER. “Queste galassie primordiali sono come fari, con la luce che esplode attraverso il sottilissimo gas idrogeno che costituiva l’universo primordiale. È solo grazie alla loro luce che possiamo cominciare a comprendere la fisica esotica che governava la galassia vicino all’alba cosmica”.

I ricercatori hanno sottolineato che, insieme alla lente gravitazionale, i potenti strumenti a infrarossi del JWST dovrebbero essere in grado di rilevare le galassie a una distanza ancora maggiore, se esistono.

"Avevamo una finestra molto piccola su questa regione e non abbiamo osservato nulla oltre queste due galassie, anche se JWST ne ha le capacità", ha detto Leja. “Ciò potrebbe significare che le galassie non si sono formate prima di quel periodo e che non troveremo nulla più lontano. Oppure potrebbe significare che non siamo stati abbastanza fortunati con la nostra piccola finestra”.

 

Una strana forma

Ciò che distingue le due galassie UNCOVER è il loro aspetto. Altre galassie viste con redshift altrettanto elevati sembrano essere puntiformi, il che indica che sono molto piccole, appena poche centinaia di anni luce di diametro. Le galassie UNCOVER, invece, hanno una struttura.

"Le galassie precedentemente scoperte a queste distanze appaiono come un punto nelle nostre immagini", ha detto Wang. "Ma uno di queste appare allungata, quasi come una nocciolina, e l'altro sembra una palla soffice".

UNCOVER-z12 sfoggia un disco largo 2000 anni luce, che è sei volte più grande di altre galassie viste in quell'epoca. Per fare un confronto, la Via Lattea ha un diametro di circa 100.000 anni luce ma, ha detto Wang, si pensa che l’universo primordiale fosse molto compresso quindi è sorprendente che la galassia sia così grande.

"Non è chiaro se la differenza di dimensioni sia dovuta a come si sono formate le stelle o a cosa è successo loro dopo la loro formazione, ma la diversità nelle proprietà della galassia è davvero interessante", ha detto Wang. "Si prevede che queste galassie primordiali si siano formate da materiali simili, ma già mostrano segni di essere molto diverse l'una dall'altra".

 

 Vita da galassia primordiale

I ricercatori hanno anche utilizzato modelli dettagliati per dedurre le proprietà di queste galassie primordiali all'epoca della luce rilevata dal JWST. Come previsto, le due galassie erano giovani, avevano pochi metalli nella loro composizione, stavano crescendo rapidamente e formando attivamente stelle.

"I primi elementi furono forgiati nei nuclei delle prime stelle attraverso il processo di fusione", ha detto Leja. “È logico che queste galassie primordiali non contengano elementi pesanti come i metalli perché sono state alcune delle prime fabbriche a costruire quegli elementi pesanti. E, naturalmente, dovrebbero essere giovani e in fase di formazione stellare per essere le prime galassie, ma la conferma di queste proprietà è un importante test di base dei nostri modelli e aiuta a confermare l’intero paradigma della teoria del Big Bang”.