An emerging baryon cycle in a galaxy 500 million years after the Big Bang

Nei primi capitoli dell'universo, solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, le galassie si stavano formando con una ferocia che sfida la nostra esperienza moderna. Durante questo periodo, noto come l'epoca della riionizzazione, il cosmo era un vivaio caotico dove il gas collassava rapidamente per accendere le prime stelle. Per decenni, gli astronomi hanno dibattuto su come queste galassie infantili siano cresciute. Un'idea prevalente suggerisce che in questi ambienti densi e ricchi di gas, le stelle potessero formarsi in enormi, incontrollati scoppi prima ancora che le stelle stesse avessero il tempo di opporre resistenza. Questo concetto, chiamato starburst privo di feedback, propone che una galassia possa convertire l'intero suo approvvigionamento di gas in stelle con un'efficienza incredibile, senza essere ostacolata dalle solite forze che regolano la crescita. Tuttavia, questa fase incontrollata non può durare per sempre. Alla fine, l'intensa radiazione e le morti esplosive delle stelle massicce dovrebbero generare venti potenti, spazzando via il gas dalla galassia e rallentando la futura formazione stellare. Il tassello mancante fondamentale in questa storia cosmica è stato il momento della transizione: il punto esatto in cui una galassia passa da una crescita selvaggia e non regolata a un sistema autoregolato in cui il feedback controlla il ciclo di gas e stelle.

Un team di astronomi ha ora colto una galassia nel pieno di questa stessa transizione. Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb, hanno studiato una galassia distante e in fase di fusione, chiamata Gz9p3, che esisteva solo 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Questa galassia è un sistema turbolento, probabilmente formato dalla collisione di due galassie più piccole, che crea una struttura caotica con due centri luminosi e una lunga coda di stelle. Catturando uno spettro di luce ultra-profondo di questo oggetto, i ricercatori sono stati in grado di vedere non solo le stelle, ma anche il gas invisibile che si muove intorno a esse. Hanno trovato prove chiare del fatto che la galassia aveva recentemente subito un massiccio episodio di formazione stellare, ma che questo episodio stava ora venendo interrotto da potenti venti stellari. Lo studio rivela che la galassia è attualmente colta in un delicato equilibrio: sta espellendo enormi quantità di gas, eppure quel gas non sta svanendo nel vuoto. Inveve, viene spinto verso i bordi della morsa gravitazionale della galassia, dove rimane disponibile per ricadere in seguito. Questa scoperta fornisce la prima visione diretta di un ciclo di barioni — un ciclo continuo di accrescimento di gas, formazione stellare e feedback — che si stabilisce nell'universo primordiale.

La chiave di questa scoperta risiede nell'analisi dettagliata del flusso di gas in uscita da Gz9p3. Quando si formano stelle massicce, esse emettono radiazione e infine esplodono, allontanando il gas dalla galassia. In Gz9p3, il telescopio ha rilevato linee di assorbimento nella luce delle stelle della galassia, che agiscono come impronte digitali per elementi specifici nelle nubi di gas tra noi e la galassia. Queste impronte digitali hanno rivelato che il gas si sta allontanando a velocità di circa 160 chilometri al secondo. Più importante ancora, i ricercatori sono stati in grado di misurare direttamente la densità di questo gas in uscita, un'impresa mai raggiunta per una galassia a una tale distanza. Analizzando il modo specifico in cui certi atomi assorbono la luce, hanno determinato che il gas è relativamente denso, con circa 17 particelle in ogni centimetro cubo. Questa alta densità ha permesso loro di calcolare quanta massa venga portata via. Il risultato è stato sbalorditivo: la galassia sta espellendo gas a un ritmo dodici volte superiore a quello con cui sta attualmente formando nuove stelle. Questo rapporto, noto come fattore di carico di massa, è tra i più alti mai misurati, indicando che il feedback del recente starburst è incredibilmente efficiente nel liberare il combustibile della galassia.

I ricercatori hanno anche indagato se questo vento potente stesse privando la galassia del suo futuro per sempre. Confrontando la velocità del gas in uscita con la forza gravitazionale del suo alone di materia oscura, hanno scoperto che il gas si muove troppo lentamente per sfuggire completamente. Sebbene il vento sia abbastanza forte da spingere il gas lontano dalle regioni centrali di formazione stellare, esso manca della velocità necessaria per liberarsi interamente dalla gravità della galassia. Ciò significa che il materiale espulso, arricchito dagli elementi pesanti creati dalle stelle, rimarrà probabilmente intrappolato nell'alone esterno della galassia. Nel tempo, questo gas probabilmente si raffredderà e ricadrà come pioggia, fornendo nuovo combustibile per la generazione successiva di stelle. Questo processo suggerisce che, anche nell'violento universo primordiale, le galassie non stavano solo perdendo massa; la stavano riciclando. Lo studio esclude esplicitamente l'idea che questa galassia sia una semplice fabbrica non regolata che produce stelle senza conseguenze. Al contrario, i dati mostrano che i meccanismi di feedback sono già attivi e dominanti, bloccando efficacementamente l'iniziale scoppio e preparando la strada per un ciclo regolato.

La storia di Gz9p3 aiuta anche a spiegare perché questa galassia appaia in questo modo. I ricercatori hanno scoperto che il gas non viene solo espulso; viene ridistribuito. La galassia è una fusione, e la collisione ha allungato il gas in una lunga coda mareale. Le misurazioni spettroscopiche effettuate lungo questa coda hanno mostrato che il serbatoio di gas neutro è in realtà piuttosto consistente, con alcune aree che contengono persino più gas del centro della galassia. Ciò suggerisce che la fusione stessa abbia rimescolato il gas, spostandolo dal nucleo verso l'esterno. La combinazione della ridistribuzione del gas guidata dalla fusione e del feedback stellare appena attivato crea un ambiente complesso in cui il gas si muove costantemente, viene riscaldato e spinto verso i bordi, ma raramente viene perso. Questa scoperta sfida la nozione che le prime galassie fossero sistemi semplici e isolati. Invece, dipinge l'immagine di un sistema dinamico e interconnesso, dove l'interazione tra gravità, collisioni ed esplosioni stellari stava già plasmando la crescita delle galassie meno di un miliardo di anni dopo l'inizio dell'universo.

La fiducia in queste scoperte poggia sulle capacità uniche del Telescopio Spaziale James Webb, che ha permesso al team di vedere dettagli nello spettro che prima erano impossibili da risolvere. La misurazione della densità del gas, in particolare, è un'osservazione diretta piuttosto che una supposizione basata su modelli. Sebbene i ricercatori riconoscano che rimangano alcune incertezze riguardo alla geometria esatta dell'uscita e alla quantità totale di gas neutro invisibile, la conclusione centrale è robusta: la galassia sta vivendo un potente outflow guidato dal feedback che è attualmente legato al sistema. Lo studio suggerisce che la transizione da uno starburst privo di feedback a un ciclo regolato avviene rapidamente, probabilmente entro poche decine di milioni di anni dopo un massiccio episodio di formazione stellare. Gz9p3 funge da istantanea di questo momento fugace, offrendo uno sguardo raro sui meccanismi che governano il ciclo vitale delle galassie. Conferma che i processi fisici che vediamo oggi nell'universo vicino — dove le stelle spazzano via il gas e quel gas alla fine ritorna — erano già in atto durante l'alba cosmica, ponendo le fondamenta per le galassie che vediamo intorno a noi ora.