Il nostro carissimo amico e lettore Frank mi ha posto una domanda che, a prima vista, sembrava avere una risposta abbastanza semplice. E, invece, cercando un po' in rete ho letto che le idee in proposito sono piuttosto confuse. E, allora, ecco questa ciliegina... a cui se ne sono aggiunte altre che riguardano le capacità del telescopio Webb. Ringrazio Frank per avere sollevato un'esigenza che mi sembrava di ovvia soluzione e che probabilmente tale non era. Mi scuso con i più preparati che queste cose le sanno benissimo...

La domanda è la seguente: "Come distinguere una radiazione nata da una sorgente molto lontana, che ha subito il redshift, ed è visibile OGGI nell'infrarosso, da una radiazione realmente nata nell'infrarosso, che arriva dalla stessa direzione, ma che è stata emessa da una sorgente molto più vicina."

In prima istanza, potrei dire che se la sorgente è vicina posso calcolare la distanza con altri metodi. Ma il punto veramente essenziale riguarda la definizione stessa di "redshift". A causa dell'espansione dell'Universo la lunghezza d'onda di una certa emissione viene spostata verso il rosso. Basterebbe, perciò, andare a leggere con attenzione questo articolo per avere la risposta.

In pratica, possiamo  eseguire lo spettro della nostra sorgente (cosa che Webb riesce a fare molto bene) e osservare un certo elemento (ad esempio, idrogeno od ossigeno, che sono sicuramente presenti nello spettro). Questi elementi presentano delle righe spettrali ben definite alle varie lunghezze d'onda. Ad esempio, esistono certe righe che cadono nel visibile. Se io avessi quella sorgente in laboratorio saprei esattamente a che lunghezza d'onda appartiene.

Il fatto è che la mia sorgente ha emesso nel visibile e ha manifestato le corrispondenti righe in un tempo estremamente remoto. Mentre il segnale ha viaggiato nello spazio, che si dilatava sempre più, anche l'onda si è dilatata e,  in particolare, la sua lunghezza d'onda è aumentata. In altre parole, ciò che prima capitava nel visibile appare oggi capitare nell'infrarosso, Ne segue che oggi si vedrebbe una certa riga dell'idrogeno, originariamente del visibile, appartenere all'infrarosso, solo e soltanto perché la riga si è spostata verso il rosso. Se la sorgente fosse vicina, invece, vedremmo esattamente la situazione al momento dell'emissione, come se tutto capitasse in laboratorio, nessuna riga si è spostata.

Invito nuovamente, a questo punto, di andare a (ri) leggersi l'articolo sul redshift e tutto apparirà molto più chiaro. Per distinguere meglio redshift cosmologico ed effetto doppler, guardate soprattutto la Fig. 4.

La Fig. 1 illustra in modo molto qualitativo ciò che capita a una riga emessa anticamente nell'UV. Oggi quella stessa riga viene osservata nell'infrarosso e questo è un chiaro segno del redshift subito e quindi è possibile dedurne il tempo impiegato a giungere fino a noi (o, se preferite, la sua distanza).

Pensiamo alla radiazione cosmica di fondo (CMBR): la radiazione emessa nei raggi gamma da ciò che ancora doveva diventare galassie e stelle giunge a noi, ma nella lunghezza d'onda delle microonde.

Passiamo ora a stabilire, in modo qualitativo e con le incertezze dovute alle conoscenze attuali, le capacità di Webb. Chiaramente, a causa del redshift possiamo dimenticarci di poter vedere la radiazione emessa dalla sorgente nell'infrarosso. Essa è ormai a lunghezze d'onda troppo lunghe per potere essere rivelata. Non per niente Webb cerca di osservare gli oggetti più energetici dell'Universo antico, ossia i quasar, che emettevano a lunghezze d'onda molto corte e che, quindi, oggi, possono ancora essere rivelate nell'infrarosso. Se le stesse osservazioni fossero fatte in un futuro remoto non vedremmo nemmeno quelle. Per la stessa ragione, possiamo considerarci fortunati di riuscire ad osservare il rumore cosmico di fondo nelle microonde, dato prima o poi uscirà dalla zona spettrale di osservabilità.

Cerchiamo di sintetizzare il tutto nella Fig.2, che va intesa -mi raccomando- in molto molto qualitativo e semplificato. Non cercate di quantificare più di tanto. Essa cerca solo di chiarire i concetti base.

Spieghiamola per bene...

Essa rappresenta le coordinate  lunghezza d'onda vs tempo. Immaginiamo una radiazione emessa al momento della CMBR nei raggi gamma (i più energetici). La lunghezza d'onda aumenta a causa del redshift e oggi viene rivelata addirittura nelle microonde. Ci troviamo a circa 400 000 anni dopo il Big Bang e stiamo guardando la prima luce emessa dall'Universo in formazione. Non esistono ancora le galassie, ovviamente, ma solo i loro "embrioni". Le prime galassie compariranno solo dopo poche centinaia di milioni di anni (quando? saperlo sarebbe fondamentale e Webb potrebbe aiutarci). Nello stesso sistema di riferimento disegniamo la linea nera che è relativa alle capacità osservative di Webb. Esso è in grado di osservare nell'infrarosso la radiazione emessa nei raggi gamma proprio poche centinaia di milioni di anni dopo il CMBR. Ripetiamo, però, che le radiazioni emesse dovevano essere molto energetiche. Ecco perché Webb cerca di osservare i quasar, quando i buchi neri primigeni erano in grande attività ed emettevano sicuramente nei raggi gamma.

Il fatto è che le prime galassie si sono probabilmente formate "più o meno" in quel periodo di tempo. Webb potrebbe osservarle sempre che esse abbiano emesso nei raggi gamma e siano nate proprio nei limiti osservativi di Webb. Più o meno nel periodo indicato con il cerchietto azzurro.

Possiamo, perciò, dire che Webb potrebbe effettivamente osservare, oggi, nell'infrarosso le righe emesse dalle sorgenti più antiche e più violente, ossia i quasar, ma non certo sorgenti luminose che abbiano emesso solo radiazioni di  lunghezze d'onda più lunghe e molto meno energetiche. Il fatto è che proprio Webb potrà darci una risposta. In particolare, dovrebbe osservare quasar con mettalicità quasi nulla, dato che le supernove dovrebbero essere quelle di prima generazione ed esploderebbero in uno spazio non ancora "contaminato" dai loro prodotti.

Un gioco sul filo del rasoio, reso più complicato dal fatto che l'andamento del redshift nell'Universo primigenio si basa essenzialmente su modelli estremamente incerti e tutti da verificare.

Non dimentichiamoci, poi, che le emissioni delle prime galassie sono sicuramente avvenute nella fase oscura dell'Universo e che quindi sono nascoste in una nebbia difficilmente superabile. Solo i "fari" più gradi possono vedersi.

Oggi Webb dovrebbe essere arrivato a individuare una galassia che ha emesso solo 320 milioni di anni dopo il Big Bang. Per completezza, la Fig. 3 mostra il valore del redshift z (spostamento relativo della lunghezza 'onda) in funzione dell'età dell'Universo, sulla base dell'attuale modello standard cosmologico.  La galassia più lontana confermata da Webb ha un redshit z di poco superiore a 13.

Sembra, invece, non confermata l'osservazione di una galassia (già evoluta!) che sembrava avere un redhift z di 16.7, corrispondente a un'età di appena 220–230 milioni di anni dopo la nascita dell’Universo. Potrebbe, comunque, essere questione di tempo... Forza Webb, tu solo puoi dare una risposta abbastanza definitiva sulla formazione delle prime galassie !

Quanto detto, comunque, si riferisce a un Universo post-CMBR. Le onde elettromagnetiche non possono dare informazioni su tempi precedenti. Per quelli dobbiamo confidare solo su altri tipi di informazione, come i neutrini, capaci di superare l'oscurità dei primi istanti dopo il Big Bang e le onde gravitazionali che potrebbero essere nate nella fase di addensamento della materia

NEWS

Un recente studio sembra confermare che i buchi neri primordiali siano stati capaci di accelerare la nascita delle galassie e delle stelle. Sembrerebbe, quindi, lecito poter dire che si è finalmente capito se è nato prima l'uovo o la gallina. I buchi neri sarebbero nati dall'enorme densità della materia e avrebbero creato le giuste turbolenze per innescare gli addensamenti che chiamiamo galassie e stelle. Una buona o cattiva notizia? Forse buona... E' vero che questa ipotesi sposterebbe indietro l'età delle prime galassie (circa cento milioni di anni dopo il Big Bang), ma è anche vero che la frenetica azione dei buchi neri avrebbe avuto l'energia sufficiente a essere rivelata ancora oggi da Webb, malgrado il redshift molto elevato e la fase oscura del dopo CMBR. Staremo a vedere...