Il telescopio spaziale James Webb sta rivoluzionando la nostra comprensione dell’evoluzione delle galassie nell’universo primordiale attraverso l’analisi dello spostamento verso il rosso (redshift) e tecniche avanzate di imaging, portando a scoperte significative e sottolineando la necessità di dati spettroscopici precisi.
L’analisi del redshift e la fotometria
Utilizzando il redshift e la fotometria, il telescopio spaziale James Webb della NASA sta svelando i segreti delle galassie primordiali, dimostrando la necessità di dati spettrali precisi per comprendere la storia dell’universo.
Uno degli obiettivi scientifici del telescopio James Webb è comprendere come le galassie nell’universo primordiale si siano formate ed evolute in galassie molto più grandi come la nostra Via Lattea. Questo obiettivo richiede che identifichiamo campioni di galassie in diversi momenti della storia dell’universo per esplorare come le loro proprietà evolvano nel tempo.
La luce delle galassie distanti e il loro posto nella storia dell’universo
Abbiamo chiesto a Micaela Bagley, ricercatrice post-dottorato presso l’Università del Texas a Austin, di spiegare come gli astronomi analizzino la luce proveniente dalle galassie distanti e determinino “quando nella storia dell’universo” le stiamo osservando.
“La luce impiega tempo per viaggiare nello spazio. Quando la luce di una galassia distante (o qualsiasi oggetto nello spazio) ci raggiunge, stiamo vedendo quella galassia come appariva nel passato. Per determinare il ‘quando’ nel passato, utilizziamo lo spostamento verso il rosso della galassia.
“Il redshift ci dice quanto tempo la luce ha trascorso allungandosi verso lunghezze d’onda più lunghe a causa dell’espansione dell’universo mentre viaggia per raggiungerci. Possiamo calcolare il redshift utilizzando le caratteristiche nello spettro della galassia, che è un’osservazione che disperde la luce di un bersaglio per lunghezza d’onda, campionando essenzialmente la luce a intervalli molto piccoli. Possiamo misurare le linee di emissione e le interruzioni spettrali (cambiamenti improvvisi nell’intensità della luce a lunghezze d’onda specifiche) e confrontare le loro lunghezze d’onda osservate con quelle emesse conosciute.
Le tecniche di imaging e la determinazione del redshift fotometrico
Identificazione delle galassie attraverso l’imaging
Uno dei modi più efficienti per identificare le galassie è attraverso l’imaging, ad esempio con lo strumento NIRCam (Near-Infrared Camera) dell’osservatorio. Scattiamo immagini utilizzando più filtri per raccogliere la luce dell’oggetto in diversi colori. Quando misuriamo la fotometria di una galassia, o quanto è luminosa in un’immagine, stiamo misurando la luminosità dell’oggetto media su tutta la gamma di lunghezze d’onda trasmesse dal filtro. Possiamo osservare una galassia con i filtri di imaging a banda larga di NIRCam, ma ci sono molte informazioni dettagliate nascoste all’interno di ogni singola misurazione per ogni 0,3-1,0 micron di copertura della lunghezza d’onda.
“Tuttavia, possiamo iniziare a limitare la forma dello spettro di una galassia. La forma dello spettro è influenzata da diverse proprietà, tra cui quante stelle si stanno formando nella galassia, quanta polvere è presente al suo interno e quanto la luce della galassia è stata spostata verso il rosso. Confrontiamo la luminosità misurata della galassia in ogni filtro con la luminosità prevista per un insieme di modelli di galassie che coprono una gamma di quelle proprietà a una gamma di redshift. In base a quanto bene i modelli si adattano ai dati, possiamo determinare la probabilità che la galassia sia a un dato redshift o ‘momento nella storia’. Il redshift fotometrico migliore determinato attraverso questa analisi è chiamato redshift fotometrico.
Scoperte eccitanti e la necessità di dati spettroscopici
Nel luglio 2022, i team hanno utilizzato immagini NIRCam dal CEERS Survey per identificare due galassie con redshift fotometrici maggiori di 11 (quando l’universo aveva meno di 420 milioni di anni). Nessuno di questi oggetti era stato rilevato dalle osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA in questo campo perché sono troppo deboli o rilevabili solo a lunghezze d’onda al di fuori della sensibilità di Hubble. Queste sono state scoperte molto eccitanti con il nuovo telescopio!
Tuttavia, il redshift fotometrico di una galassia è in qualche modo incerto. Ad esempio, potremmo essere in grado di determinare che una rottura spettrale è presente in un filtro, ma non la lunghezza d’onda precisa della rottura. Mentre possiamo stimare un redshift migliore in base alla modellazione della fotometria, la distribuzione di probabilità risultante è spesso ampia. Inoltre, le galassie a diversi redshift possono avere colori simili nei filtri a banda larga, rendendo difficile distinguere i loro redshift basandosi solo sulla fotometria. Pertanto, consideriamo tutte le galassie selezionate in base ai loro redshift fotometrici come candidate ad alto redshift fino a quando non possiamo ottenere un redshift più preciso.
Possiamo determinare un redshift più preciso per una galassia ottenendo uno spettro. Come illustrato nella figura seguente, il nostro calcolo della distribuzione di probabilità del redshift migliora man mano che misuriamo la fotometria di una galassia in passaggi di lunghezza d’onda sempre più fini. La distribuzione di probabilità si restringe man mano che passiamo dall’uso di filtri a banda larga per l’imaging (in alto) a un numero maggiore di filtri più stretti (al centro), a uno spettro (in basso). Nella riga inferiore possiamo iniziare a individuare caratteristiche specifiche come la rottura spettrale sulla sinistra e le linee di emissione per ottenere una distribuzione di probabilità del redshift molto precisa – un redshift spettroscopico.
Nel febbraio 2023, i team CEERS hanno seguito i loro candidati ad alto redshift con lo strumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) dell’osservatorio per misurare redshift spettroscopici precisi. Un candidato (Maisie’s Galaxy) è stato confermato essere a redshift 11,4 (quando l’universo aveva 390 milioni di anni), mentre il secondo candidato è stato scoperto essere effettivamente a un redshift inferiore di 4,9 (quando l’universo aveva 1,2 miliardi di anni).
Anche i casi in cui scopriamo che un candidato ad alto redshift è in realtà una galassia a redshift più basso possono essere molto eccitanti. Ci consentono di saperne di più sulle condizioni nelle galassie e sul modo in cui queste condizioni influenzano la loro fotometria, per migliorare i nostri modelli di spettri di galassie e per limitare l’evoluzione delle galassie a tutti i redshift. Tuttavia, evidenziano anche la necessità di ottenere spettri per confermare i candidati ad alto redshift.
