Le strane meraviglie di Webb

Così come la paleontologia studia la vita del passato della Terra attraverso i fossili, l’astronomia indaga il passato dell’universo analizzando la luce raccolta dai telescopi, sia terrestri sia spaziali. A differenza della paleontologia, che ricostruisce in modo indiretto come poteva essere la vita in epoche remote a partire da tracce fossili, l’astronomia osserva direttamente il passato: le immagini astronomiche sono infatti istantanee di come stelle e galassie apparivano nel momento in cui la loro luce è stata emessa. Il James Webb Space Telescope (Jwst) è lo strumento che, a oggi, si è spinto più lontano – nel tempo e nello spazio – nell’osservazione di stelle, galassie e buchi neri supermassicci, offrendo risultati sorprendenti e spesso inattesi. Ne abbiamo parlato con Roberto Maiolino, professore di Astrofisica sperimentale al Cavendish Laboratory dell’University of Cambridge e ricercatore di fama internazionale nel campo della formazione ed evoluzione delle galassie e dei buchi neri.

Jwst sta scoprendo galassie che erano già massicce e mature quando l’universo aveva solo 300-400 milioni di anni – troppo presto secondo i modelli attuali. Stiamo assistendo a una crisi del modello cosmologico standard o c’è una spiegazione alternativa che salva la teoria?

I risultati ottenuti con Jwst sono effettivamente sorprendenti e, per molti aspetti, anche enigmatici. Tuttavia, direi che non sia necessario, almeno per ora, invocare questi risultati per mettere in dubbio il modello cosmologico standard. Anzitutto, nonostante la qualità dei dati Jwst, la massa delle galassie a queste epoche così remote è soggetta a incertezze, come pure lo è la ricostruzione della loro storia di formazione. In diversi casi, analisi più approfondite hanno portato a ridimensionare le masse inizialmente stimate; in altri, sorgenti che sembravano galassie estremamente massicce si sono rivelate dominate dall’emissione di buchi neri in accrescimento. È tuttavia vero che alcune delle galassie scoperte da Jwst nelle prime centinaia di milioni di anni sono estremamente luminose, ed è proprio questo l’aspetto più intrigante. Tuttavia, senza dover mettere in discussione la cosmologia, sono stati proposti diversi scenari astrofisici in grado di spiegare queste proprietà. Alcune fra le spiegazioni che sono state avanzate includono: formazione stellare altamente efficiente ed episodica; assenza di oscuramento da polvere nel mezzo interstellare; un modo di formazione stellare che favorisce la formazione di stelle massicce; un contributo da buchi neri in accrescimento. È probabile che non esista una singola spiegazione, ma che queste galassie primordiali riflettano una combinazione di più processi fisici.

Analogamente, ha individuato buchi neri supermassicci già formati quando l’universo era giovanissimo, alcuni con masse di miliardi di soli. Com’è possibile che siano cresciuti così velocemente?

Le proprietà dei buchi neri che sono stati identificati da Jwst nell’universo distante sono effettivamente sconcertanti. Non solo erano estremamente massicci già quando l’universo era molto giovane, ma erano estremamente massicci anche rispetto alle loro galassie ospiti. È stato proposto che le masse di questi buchi neri siano state sovrastimate; tuttavia, misure dirette per alcuni di essi confermano masse estremamente elevate. Direi che è oramai chiaro che è estremamente improbabile il classico scenario che vede questi buchi neri originati da altri di massa stellare risultanti dal collasso delle prime stelle, e che hanno accresciuto gas al limite imposto dalla teoria standard (il cosiddetto “limite di Eddington”). Sono stati proposti diversi scenari alternativi, fra questi: buchi neri che si sono formati già molto massicci (ad esempio buchi neri formati dal collasso diretto di massicce nubi di gas primordiali, oppure buchi neri “primordiali”, ovvero formati immediatamente dopo il big bang, originariamente proposti da Stephen Hawking); oppure, buchi neri che si sono formati dalla rapida fusione di stelle e buchi neri in densi ammassi stellari, nelle regioni centrali delle galassie primordiali; alternativamente, è possibile che questi buchi neri abbiano superato il limite teorico di Eddington, e che siano riusciti ad accrescere gas a livelli estremamente alti, sebbene per brevi periodi di tempo. Nel complesso, sta emergendo l’idea che non esista un unico percorso evolutivo: buchi neri diversi, in ambienti diversi, potrebbero essersi formati e cresciuti attraverso canali differenti.

In questi primi anni, ogni articolo basato su dati di Jwst sembra aver settato un nuovo record: più lontano, più massiccio, più debole… ma che cosa abbiamo capito finora?

Non è sorprendente che Jwst abbia stabilito nuovi record, visto che ha offerto capacità osservative enormemente superiori a quelle dei precedenti telescopi. Quello che è importante, ed estremamente interessante, è che le nuove osservazioni hanno rivelato nuove proprietà e nuove popolazioni, che non erano note in precedenza, e per certi versi completamente inaspettate. Oltre alle elevate luminosità di alcune galassie primordiali e le estreme masse dei buchi neri nell’universo giovane, la complessità dell’arricchimento chimico nelle prime fasi della formazione delle galassie, come pure gli spettri veramente peculiari di diverse galassie e buchi neri in accrescimento, sono fra le scoperte più sorprendenti. L’identificazione di queste proprietà sta portando allo sviluppo di nuovi modelli e teorie. L’interpretazione di questi risultati è ancora in pieno sviluppo, e il dibattito è molto attivo su diversi fronti. Quello che appare già chiaro è che la formazione delle galassie e dei buchi neri nell’universo primordiale è stata più rapida e complessa di quanto immaginato in precedenza.

Infine, le misurazioni di Jwst sembrano confermare la discrepanza nel valore della costante di Hubble tra universo locale e primordiale. Questo suggerisce una nuova fisica o cos’altro? Qual è la sua scommessa personale?

I risultati di Jwst su questo tema sono estremamente interessanti e si inseriscono in un dibattito già molto acceso. La cosiddetta “tensione di Hubble” potrebbe avere diverse spiegazioni: da effetti sistematici ancora non completamente compresi nelle misure, fino alla possibilità – più radicale – di nuova fisica oltre il modello cosmologico standard. Prima di trarre conclusioni definitive, è però fondamentale comprendere a fondo tutte le possibili fonti di errore sistematico. Se dovessi fare una scommessa, direi che è ancora probabile che la discrepanza sia legata a effetti osservativi o metodologici non del tutto controllati. Tuttavia, la possibilità che stia emergendo nuova fisica resta aperta ed è, senza dubbio, estremamente interessante.