Quali sono gli oggetti più antichi dell’universo? Spiegazione di stelle, pianeti e galassie antichi

Astronomia è come una macchina del tempo in quanto possiamo guardare eventi accaduti miliardi di anni fa. Osservando gli oggetti di poco dopo che il Big Bang ha formato il nostro universo 13,8 miliardi di anni fa, possiamo sondare la “storia dell’origine” di cose cosmiche come galassie, stelle ed esopianeti.

Inverso ha parlato con due astronomi dello Smithsonian Astrophysical Observatory per conoscere le cose più antiche che possiamo vedere o dedurre e perché lo studio di cose così antiche è importante.

Quali sono le stelle più antiche?

L’astronomo Smithsonian Warren Brown avverte che possiamo dedurre l’età solo quando studiamo le stelle. Come unico esempio del perché questo è difficile, dice Brown Inverso: “Le stelle più antiche dovrebbero avere pochissimi metalli nelle loro atmosfere. La parte complicata è che non è sempre vero.

Gli astronomi usano i termini “metallo” o “metallicità” per descrivere l’abbondanza di elementi più pesanti dell’idrogeno o dell’elio. Le stelle povere di metalli tendono ad essere vecchie, come “Matusalemme” (HD 140283), che ha almeno 12 miliardi di anni.

L’idrogeno e l’elio, entrambi elementi leggeri, erano abbondanti nell’universo prima della formazione delle prime stelle. Quando le stelle fondono questi elementi nei loro nuclei, generano elementi più pesanti come carbonio, ossigeno e silicio. Quando le stelle smettono di bruciare, spesso rilasciano il loro gas gradualmente (come nane bianche che si raffreddano) o in modo esplosivo (come una supernova), distribuendo gli elementi più pesanti nell’universo.

Brown ha spiegato che questo processo significa che, generalmente, le stelle più antiche non dovrebbero contenere elementi pesanti perché non erano disponibili. Ma non è sempre così. Ad esempio: “C’è del gas abbastanza incontaminato nel mezzo interstellare”, ha spiegato Brown, riferendosi al gas tra le stelle in uno spazio per lo più vuoto. Poiché in queste regioni sono disponibili poche stelle per generare elementi più vecchi, per la maggior parte sono presenti solo idrogeno ed elio.

Partendo dal presupposto che la stella non si formi in un ambiente insolito, il modo principale in cui gli astronomi deducono l’età è guardare luoghi con molte vecchie stelle, come le galassie ammassi globulari, dice Brown.

Inoltre, alcune classi di stelle tendono ad avere caratteristiche dell’età ad esse associate. Le più famigerate sono le nane bianche, i nuclei rimanenti di stelle come il nostro sole che disperdono tutti i loro strati di gas. La misurazione della temperatura della nana bianca fornisce una stima attendibile dell’età, poiché il raffreddamento avviene a una velocità prevedibile nel tempo.

Brown ha aggiunto che spesso gli astronomi richiedono maggiori informazioni sullo spettro di una stella prima di determinarne l’età. Lo spettro mostra l’abbondanza e la proporzione degli elementi visibili nell’atmosfera di una stella.

Un esempio è una stella discussa di recente in Natura, con un’età stimata di 12,9 miliardi di anni, visibile attraverso una galassia in primo piano che piega la luce attraverso il microlensing. Gli astronomi di quello studio stanno aspettando che il telescopio spaziale James Webb, lanciato di recente, inizi le operazioni, poiché la luce infrarossa del telescopio è specializzata nell’osservazione di oggetti così lontani.

Un’illustrazione di PSR J1719-1438, il primo esopianeta scoperto. Pulsar come questo e B1620-26 non erano ampiamente ritenuti in grado di ospitare pianeti prima del 1992. MARK GARLICK/LIBRERIA FOTOGRAFICA SCIENTIFICA/Libreria fotografica scientifica/Getty Images

Quali sono gli esopianeti più antichi?

Prima di parlare degli esopianeti, discutiamo brevemente del redshift. Il redshift è il fenomeno che si verifica quando la luce di un oggetto viene spostata verso il bordo rosso dello spettro perché si sta allontanando da noi. Spesso, il redshift si verifica a causa dell’espansione dell’universo; quando gli oggetti si allontanano l’uno dall’altro, la loro luce osservabile si allunga al rosso o all’infrarosso.

Ecco perché Webb è così importante, poiché è ottimizzato per la luce infrarossa e opera in un punto di Lagrange lontano dalle normali interferenze di luce dalla Terra. Ciò gli consente di raccogliere quanti più fotoni di luce possibile utilizzando il suo grande specchio esagonale che include 18 segmenti che si estendono su una larghezza di 21 piedi e 4 pollici (6,5 metri).

Gli esopianeti sono ancora più complicati da cercare delle stelle, dato che sono minuscoli e possono essere visti solo attraverso la luce riflessa dalla loro stella madre, o attraverso i loro effetti gravitazionali su quella stella. Sebbene abbiamo più di 5.000 esopianeti catalogati, la popolazione di cui siamo a conoscenza è composta in modo sproporzionato da grandi pianeti più vicini alla Terra. Questo semplicemente perché i pianeti ravvicinati sono più facili da vedere attraverso le “oscillazioni” della stella madre o la luce riflessa.

UN Scienza l’articolo del 2003 menziona una pulsar altamente spostata verso il rosso, B1620-26; una pulsar si riferisce a una stella che ruota rapidamente e invia uno schema regolare di segnali mentre lo fa. Un pianeta gigante gassoso, circa 2,5 volte la massa di Giove, è stato scoperto lì nel 2003. Gli scienziati ritengono che l’esopianeta sia relativamente vecchio, dato che il sistema stellare stesso ha circa 12,2 miliardi di anni. Ma come spiega Brown, le ipotesi non dovrebbero essere sempre attendibili.

“Le atmosfere degli esopianeti hanno una reale diversità di composizioni e probabilmente dipende dalla temperatura e dalla chimica di come le particelle si formano a determinate pressioni e temperature”, ha spiegato. A complicare la questione non possiamo dire direttamente, ad esempio, di cosa è fatto il pianeta, senza fare inferenze basate sulla sua massa e raggio, che spesso dice (ad esempio) se un pianeta è roccioso o gassoso.

Gli astronomi stanno aspettando osservatori più avanzati che renderanno gli esopianeti in modo più dettagliato oltre ai punti luce. Webb potrebbe essere in grado di ottenere informazioni su esopianeti più vicini e più grandi, insieme al prossimo Extremely Large Telescope (ELT). Ma le informazioni sugli esopianeti delle dimensioni della Terra (insieme alle nostre speranze per la vita) potrebbero dover attendere alcuni decenni prima che la tecnologia migliori.

Un’immagine Hubble Deep Field di alcune delle più antiche galassie. -/AFP/Getty Images

Quali sono le galassie e i quasar più antichi?

In poche parole, le galassie sono insiemi di stelle e i quasar sono galassie incorporate con buchi neri supermassicci ultra potenti, che generano immense quantità di raggi X visibili da grande distanza.

La galassia candidata più lontana conosciuta è stata appena individuata quest’anno e segnalata Il diario astrofisico. La galassia candidata, HD1, sembra avere 13,5 miliardi di anni, ma l’astronomo dello Smithsonian Fabio Pacucci ha avvertito che dobbiamo ottenere maggiori informazioni sul suo spettro prima di confermare la sua età. (Ciò dovrebbe avvenire dopo che Webb sarà operativo, ha detto.)

Per coincidenza, HD1 potrebbe anche essere il quasar più antico. La squadra di Pacucci suggerisce nella Avvisi mensili della Royal Astronomical Society che la galassia ospita un buco nero di oltre 100 milioni di masse solari, il che spiega perché la galassia appare così luminosa nei dati. (Una spiegazione alternativa è che la galassia ospita alcune stelle molto massicce, che genererebbero anche molta luminosità.)

L’ultimo quasar confermato, ha aggiunto Pacucci, è stato discusso nel 2021 a Il diario astrofisico. Con un redshift di 7,6, ha un’età di circa 13,1 miliardi di anni. Ma c’è una complicazione nelle nostre osservazioni, ha osservato, poiché non corrispondono del tutto alla teoria.

“Non puoi formare subito un buco nero supermassiccio”, dice Inverso. L’attuale modello di fusione dei buchi neri suggerisce che si combinino nel tempo per creare buchi neri supermassicci, ma i modelli suggeriscono che la creazione avvenga nell’arco di molti miliardi di anni. “Il problema è che questo processo richiede molto tempo e non c’è molto tempo dopo il Big Bang”.

Pacucci afferma che la speranza è Webb e osservatori come l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Cile forniranno più dati osservativi che potrebbero essere utilizzati per aggiornare i modelli.

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