REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

Nei primissimi istanti dell'universo, il cosmo era un luogo buio e informe, riempito solo da gas di idrogeno ed elio. Nel corso di centinaia di milioni di anni, la gravità iniziò ad attirare questo gas, accendendo le prime stelle e forgiando le prime galassie. Per molto tempo, gli astronomi hanno creduto che queste prime galassie fossero luoghi caotici e disordinati. La teoria prevalente suggeriva che, nei primi miliardi di anni di storia cosmica, le galassie fossero troppo giovani per essersi assestate in forme ordinate. Si pensava che fossero collezioni turbolente e instabili di gas e stelle, in costante collisione e agitazione, prive dei dischi lisci e rotanti che caratterizzano le galassie mature come la nostra Via Lattea odierna. Questa visione sosteneva che ci volessero miliardi di anni affinché le galassie si raffreddassero, organizzassero il proprio gas e sviluppassero le eleganti strutture rotanti che vediamo nell'universo vicino.

Tuttove, l'arrivo del Telescopio Spaziale James Webb e dell'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ha iniziato a riscrivere questa cronologia. Questi potenti strumenti permettono agli scienziati di scrutare fino all'epoca della riionizzazione, un tempo in cui l'universo aveva meno di un miliardo di anni, e vedere galassie che appaiono sorprendentemente mature. La domanda ora non è solo se queste antiche galassie esistano, ma come siano riuscite ad assemblare strutture così complesse così rapidamente. Possiedono davvero i dischi calmi e rotanti delle galassie successive, o la loro apparente regolarità è un'illusione creata dal modo in cui le osserviamo? Per rispondere a questo, i ricercatori devono guardare oltre la luce visibile delle stelle ed esaminare la polvere e il gas invisibili che spesso nascondono la vera natura di questi giganti cosmici.

Un team di astronomi ha ora rivolto la propria attenzione a una specifica galassie chiamata REBELS-25, situata a un redshift di 7,31. Questa distanza significa che la luce che vediamo da essa è partita quando l'universo aveva solo circa 700 milioni di anni. Studi precedenti avevano già accennato al fatto che REBELS-25 fosse un sistema massiccio e con formazione stellare con una struttura rotante, ma quelle osservazioni erano limitate. Per ottenere un quadro completo, i ricercatori hanno combinato nuove immagini ad alta risoluzione provenienti dall'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array con i dati del Telescopio Spaziale James Webb. Hanno esaminato la galassia attraverso un ampio spettro di luce, dal bagliore ultravioletto delle giovani stelle al calore dell'infrarosso lontano irradiato dalla polvere e dal gas. Unendo queste diverse vedute, hanno creato una mappa dettagliata e tridimensionale della forma della galassia, delle sue condizioni interne e del moto del suo gas.

I risultati hanno rivelato un contrasto sorprendente tra l'aspetto della galassia in diversi tipi di luce. Quando osservata nella luce ultravioletta e ottica, che traccia le stelle calde e giovani, REBELS-25 appare granulosa e irregolare. I punti più luminosi sono sparsi attraverso la galassia, con alcuni grumi luminosi situati a circa duemila anni luce dal centro. Sembra caotica, molto simile ai sistemi turbolenti che gli astronomi si aspettavano di trovare in questo primo periodo. Tuttavia, quando i ricercatori hanno cambiato la loro visione verso la luce dell'infrarosso lontano, che traccia la polvere e il gas freddi, il quadro è cambiato completamente. In questa vista, la galassia non è un ammasso disperso, ma un disco liscio e rotante. La polvere e il gas sono concentrati in una regione centrale, formando un disco esponenziale quasi perfetto che è molto più ordinato di quanto suggeriscano le stelle sparse.

Questa drammatica differenza di aspetto è causata dalla polvere. Lo studio ha scoperto che le regioni centrali della galassia sono pesantemente schermate dalla polvere, che blocca la luce ultravioletta e ottica delle stelle nascoste all'interno. I ricercatori hanno calcolato che l'oscuramento dovuto alla polvere nasconde tra il 55 e il 98 percento della formazione stellare totale della galassia. Nel centro stesso, dove la polvere è più densa, quasi tutta la formazione stellare è invisibile ai telescopi ottici. I grumi luminosi visti nell'ultravioletto sono probabilmente solo la punta dell'iceberg, rappresentando i bordi esterni meno oscurati della galassia dove le stelle sono visibili. Il vero cuore della galassia, dove l'attività è più intensa, è nascosto dietro un fitto velo di polvere, visibile solo attraverso gli occhi infrarossi degli osservatori.

Nonostante l'aspetto caotico delle stelle, il gas all'interno di REBELS-25 racconta una storia di straordinaria stabilità. I ricercatori hanno analizzato il moto di due diversi tipi di gas: il gas caldo e ionizzato che brilla in una specifica linea infrarossa, e il gas più freddo e neutro che emette un segnale infrarosso differente. Hanno scoperto che entrambi i tipi di gas si muovono nello stesso schema rotatorio su larga scala. Il gas non sta roteando casualmente; sta ruotando in un disco coerente. Il rapporto tra il moto di rotazione ordinato e il moto caotico e casuale è molto elevato, indicando che il gas è "dinamicamente freddo". Ciò significa che la galassia si è già assestata in una struttura stabile e rotante, sfidando l'aspettativa che le galassie a questa età dovrebbero essere turbolente e disordinate.

Lo studio ha anche esaminato la composizione chimica della galassia per vedere se i diversi grumi fossero sistemi separati che si scontrano tra loro, o parti di una singola, unificata galassia. Hanno misurato i rapporti di diversi elementi chimici nel gas attraverso i vari grumi. I risultati hanno mostrato che le condizioni chimiche sono ampiamente simili in tutta la galassia. Il contenuto di metalli, che indica quanti elementi pesanti la galassia ha prodotto, è elevato e costante in tutte le regioni. Questa uniformità suggerisce che i grumi luminosi visti nell'ultravioletto non siano galassie separate in fase di fusione con storie differenti. Al contrario, sono probabilmente regioni di formazione stellare immerse nello stesso disco singolo e chimicamente arricchito. La galassia appare come un sistema unificato che ha già trasformato una quantità significativa del suo gas in elementi più pesanti, raggiungendo un livello di maturità chimica paragonabile alle galassie che si trovano molto più tardi nell'universo.

Sebbene la galassia sia in gran parte un disco liscio e rotante, i dati mostrano anche alcuni segni di complessità. Ci sono indizi di moti non circolari e strutture su piccola scala che suggeriscono che la galassia non sia perfettamente uniforme. Potrebbe esserci una struttura a barra al centro, e il gas mostra alcuni segni di flussi in entrata o in uscita. Queste caratteristiche indicano che, sebbene la galassia abbia raggiunto uno stato stabile, è ancora in fase di assemblaggio ed evoluzione. Non è un oggetto statico, ma un sistema dinamico che continua a costruire se stesso, pur mantenendo il proprio ordine generale.

Le scoperte su REBELS-25 mettono in discussione la visione di lungo corso che l'universo primordiale fosse un luogo di puro caos. Questa galassia, esistente meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, è massiccia, chimicamente ricca e dinamicamente fredda. Possiede una struttura a disco rotante che è sorprendentemente simile alle galassie trovate miliardi di anni dopo. Lo studio dimostra che la polvere gioca un ruolo cruciale nel nascondere la vera natura di questi primi sistemi. Senza guardare attraverso la polvere con i telescopi a infrarossi, gli astronomi avrebbero visto solo una collezione disordinata e granulosa di stelle e avrebbero perso l'elegante disco rotante nascosto sottostante.

Questa ricerca sottolinea l'importanza di osservare le galassie attraverso molteplici lunghezze d'onda per comprenderne la vera natura. Una singola visione può essere fuorviante, nascondendo l'ordine sottostante dietro un velo di polvere o oscurando i dettagli caotici della formazione stellare. Combinando la potenza di diversi telescopi, gli scienziati stanno iniziando a vedere che l'universo potrebbe essersi organizzato molto più velocemente di quanto precedentemente ipotizzato. REBELS-25 è una testimonianza di questa rapida evoluzione, mostrando che anche nelle epoche più antiche della storia cosmica, alcune galassie avevano già trovato il proprio ritmo, ruotando con calma nel buio.