Quando immaginiamo stelle distanti, di solito pensiamo a distanze di decine, centinaia o migliaia di anni luce. Tutti questi luminari appartengono alla nostra Galassia: la Via Lattea. I moderni telescopi sono in grado di risolvere le stelle nelle galassie vicine: la loro distanza può raggiungere decine di milioni di anni luce. Ma fino a che punto si estendono le capacità della tecnologia di osservazione, soprattutto quando la natura aiuta? La recente sorprendente scoperta di Icaro, la stella più distante finora conosciuta nell'Universo, dimostra la possibilità di osservare fenomeni cosmici estremamente distanti.
L'aiuto della natura
Esiste un fenomeno grazie al quale gli astronomi possono osservare gli oggetti più distanti nell'Universo. Si chiama una delle conseguenze della teoria generale della relatività ed è associata alla deflessione di un raggio luminoso nel campo gravitazionale.
L'effetto lente è che se un oggetto massiccio si trova tra l'osservatore e la sorgente luminosa sulla linea di vista, quindi, piegandosi nel suo campo gravitazionale, crea un'immagine distorta o multipla della sorgente. A rigor di termini, i raggi vengono deviati nel campo gravitazionale di qualsiasi corpo, ma l'effetto più evidente è, ovviamente, prodotto dalle formazioni più massicce dell'Universo: gli ammassi di galassie.
Nei casi in cui un piccolo corpo cosmico, come una singola stella, funge da lente, la distorsione visiva della sorgente è quasi impossibile da rilevare, ma la sua luminosità può aumentare in modo significativo. Questo evento è chiamato microlensing. Nella storia della scoperta della stella più lontana dalla Terra, entrambi i tipi di lente gravitazionale hanno avuto un ruolo.
Come è avvenuta la scoperta?
La scoperta di Icaro è stata facilitata da un felice incidente. Gli astronomi stavano osservando uno dei lontani MACS J1149.5+2223, situato a circa cinque miliardi di anni luce di distanza. È interessante come lente gravitazionale, grazie alla speciale configurazione in cui i raggi luminosi vengono piegati in modi diversi e alla fine percorrono distanze diverse verso l'osservatore. Di conseguenza, i singoli elementi dell'immagine lente della sorgente luminosa devono ritardare.
Nel 2015, gli astronomi stavano aspettando la riesplosione della supernova Refsdal, prevista nell'ambito di questo effetto, in una galassia molto lontana, la cui luce impiega 9,34 miliardi di anni per raggiungere la Terra. L'evento atteso è effettivamente accaduto. Ma nelle immagini del 2016-2017 riprese dal telescopio Hubble, oltre alla supernova, è stato scoperto qualcos'altro di non meno interessante, ovvero l'immagine di una stella appartenente alla stessa galassia lontana. In base alla natura della luminosità, è stato stabilito che non si trattava di una supernova, né di un lampo di raggi gamma, ma di una stella normale.
Vedere una singola stella a una distanza così grande è diventato possibile grazie a un evento di microlente nella galassia stessa. Un oggetto, molto probabilmente un'altra stella, con una massa dell'ordine del Sole, passò casualmente davanti alla stella. Lui stesso, ovviamente, è rimasto invisibile, ma il suo campo gravitazionale ha aumentato la brillantezza della sorgente luminosa. Combinato con l’effetto lente dell’ammasso MACS J1149.5+2223, questo fenomeno ha aumentato la luminosità della stella visibile più distante di un fattore pari a 2000!
Una stella chiamata Icaro
Alla stella appena scoperta è stato dato il nome ufficiale MACS J1149.5+2223 LS1 (Lensed Star 1) e il suo nome proprio: Icarus. Il precedente detentore del record, che portava con orgoglio il titolo di stella più distante che si potesse osservare, si trova cento volte più vicino.
Icaro è estremamente luminoso e caldo. Si tratta di una supergigante blu di classe spettrale B. Gli astronomi sono stati in grado di determinare le principali caratteristiche della stella, come:
- massa - almeno 33 masse solari;
- luminosità - circa 850.000 volte superiore a quella del sole;
- temperatura: da 11 a 14 mila Kelvin;
- metallicità (contenuto elementi chimici più pesante dell'elio) - circa 0,006 solare.
Il destino della stella più lontana
L'evento di microlente che rese visibile Icaro avvenne, come già sappiamo, 9,34 miliardi di anni fa. L’età dell’Universo era allora solo di circa 4,4 miliardi di anni. La fotografia di questa stella è una sorta di fermo immagine in piccola scala di quell'epoca lontana.
Durante il tempo impiegato dalla luce emessa più di 9 miliardi di anni fa per raggiungere la Terra, l’espansione cosmologica dell’Universo ha spinto la galassia in cui viveva la stella più distante a una distanza di 14,4 miliardi di anni luce.
Lo stesso Icaro, secondo idee moderne sull'evoluzione delle stelle, hanno cessato di esistere molto tempo fa, perché quanto più massiccia è la stella, tanto più breve dovrebbe essere la sua vita. È possibile che parte della sostanza di Icaro sia servita da materiale da costruzione per nuove stelle e, molto probabilmente, per i loro pianeti.
Lo rivedremo?
Anche se un atto casuale di microlente è un evento di brevissima durata, gli scienziati hanno la possibilità di vedere Icaro di nuovo, e anche con maggiore luminosità, poiché nel grande ammasso di lente MACS J1149.5+2223 molte stelle dovrebbero essere vicine a Icaro. -Linea di vista terrestre e, attraversandola, il raggio può essere uno qualsiasi di essi. Naturalmente esiste la possibilità di vedere allo stesso modo altre stelle lontane.
O forse un giorno gli astronomi avranno la fortuna di registrare una grande esplosione: l'esplosione di una supernova, che pose fine alla vita della stella più lontana.
Gli astronomi della Texas A&M University e dell'Università del Texas ad Austin hanno scoperto la galassia più distante a noi conosciuta. Secondo la spettrografia si trova a una distanza di circa 30 miliardi di anni luce sistema solare(o dalla nostra Galassia, che in questo caso non è così significativa, perché il diametro della Via Lattea è di soli 100mila anni luce).
L'oggetto più distante nell'Universo ha ricevuto il nome romantico z8_GND_5296.
"È emozionante sapere che siamo le prime persone al mondo a vederlo", ha affermato Vithal Tilvi, PhD, coautore dell'articolo, che è stato ora pubblicato online (per visualizzarlo gratuitamente lavori scientifici utilizzare sci-hub.org).
La galassia scoperta z8_GND_5296 si è formata 700 milioni di anni dopo il Big Bang. In realtà adesso la vediamo in questo stato, perché solo ora la luce della neonata galassia ci ha raggiunto, dopo aver percorso una distanza di 13,1 miliardi di anni luce. Ma poiché nel processo l'Universo si è espanso, in questo momento, come mostrano i calcoli, la distanza tra le nostre galassie è di 30 miliardi di anni luce.
La cosa interessante delle galassie appena nate è che è attivo un processo di formazione di nuove stelle. Se nella nostra Via Lattea appare una nuova stella all'anno, quindi in z8_GND_5296 - circa 300 all'anno. Ora possiamo osservare in sicurezza attraverso i telescopi ciò che accadde 13,1 miliardi di anni fa.
L'età delle galassie lontane può essere determinata dallo spostamento verso il rosso cosmologico, causato tra l'altro dall'effetto Doppler. Quanto più velocemente un oggetto si allontana dall'osservatore, tanto più forte si manifesta l'effetto Doppler. Galaxy z8_GND_5296 ha mostrato uno spostamento verso il rosso di 7,51. Circa un centinaio di galassie hanno uno spostamento verso il rosso maggiore di 7, il che significa che si sono formate prima che l'Universo avesse 770 milioni di anni, e il record precedente era di 7.215. Ma solo per poche galassie la distanza è confermata dalla spettrografia, cioè dalla riga spettrale Lyman alfa (ne parleremo più avanti).
Il raggio dell'Universo è di almeno 39 miliardi di anni luce. Ciò sembrerebbe contraddire l’età dell’Universo pari a 13,8 miliardi di anni, ma non c’è alcuna contraddizione se si tiene conto dell’espansione del tessuto dello spazio-tempo stesso: non esiste alcun limite di velocità per questo processo fisico.
Gli scienziati non sono del tutto chiari sul motivo per cui non è possibile osservare altre galassie fino a 1 miliardo di anni. Le galassie lontane si osservano con una chiara manifestazione della riga spettrale L α (Lyman alfa), che corrisponde alla transizione di un elettrone dal secondo livello energetico al primo. Per qualche ragione, nelle galassie più giovani di 1 miliardo di anni, la linea alfa di Lyman appare sempre più debole. Una teoria è che fu in quel momento che l’Universo passò da uno stato opaco con idrogeno neutro a uno stato traslucido con idrogeno ionizzato. Semplicemente non possiamo vedere le galassie nascoste in una “nebbia” di idrogeno neutro.
Come è riuscito z8_GND_5296 a sfondare la nebbia neutra di idrogeno? Gli scienziati ipotizzano che abbia ionizzato l'ambiente circostante, in modo che i protoni siano riusciti a sfondare. Pertanto, z8_GND_5296 è la primissima galassia a noi nota emersa dalla massa opaca di idrogeno neutro che riempiva l'Universo nelle prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.
Ai margini della galassia
Gli oggetti più distanti nello spazio si trovano così lontano dalla Terra che anche gli anni luce rappresentano una misura ridicolmente piccola della loro distanza. Ad esempio, il corpo cosmico più vicino a noi, la Luna, si trova a soli 1,28 secondi luce da noi. Come si possono immaginare distanze che un impulso luminoso non può coprire in centinaia di migliaia di anni? C'è un'opinione secondo cui non è corretto misurare uno spazio così colossale con quantità classiche, ma non ne abbiamo altre;
La stella più distante della nostra Galassia si trova in direzione della costellazione della Bilancia e si allontana dalla Terra ad una distanza che la luce può percorrere in 400mila anni. È chiaro che questa stella si trova sulla linea di confine, nella cosiddetta zona dell'alone galattico. Dopotutto, la distanza da questa stella è circa 4 volte il diametro delle distese immaginarie della nostra Galassia. (Si stima che il diametro della Via Lattea sia di circa 100mila anni luce.)
Oltre la galassia
È sorprendente che il più lontano, abbastanza stella luminosa scoperto solo ai nostri tempi, sebbene sia stato osservato prima. Per ragioni sconosciute, gli astronomi non hanno prestato attenzione particolare attenzione ad un punto debolmente luminoso del cielo stellato e visibile sulla lastra fotografica. Che succede? La gente vede la stella per un quarto di secolo e... non se ne accorge. Più recentemente, gli astronomi americani dell'Osservatorio Lowell hanno scoperto un'altra delle stelle più lontane nella periferia della nostra Galassia.
Questa stella, già offuscata dalla “vecchiaia”, può essere cercata nel cielo nella posizione della costellazione della Vergine, a una distanza di circa 160mila anni luce. Tali scoperte nelle aree oscure (letteralmente e figurativamente) della Via Lattea ci consentono di apportare importanti modifiche nel determinare i valori reali della massa e delle dimensioni del nostro sistema stellare nella direzione del loro aumento significativo.
Tuttavia, anche il più stelle lontane nella nostra galassia si trovano relativamente vicini. I quasar più distanti conosciuti dalla scienza si trovano più di 30 volte più lontano.
Un quasar (inglese quasar - abbreviazione di QUASi stellAR radio source - “radiosorgente quasi stellare”) è una classe di oggetti extragalattici caratterizzati da una luminosità molto elevata e da dimensioni angolari così piccole che per diversi anni dopo la loro scoperta non è stato possibile distinguerli da "fonti puntiformi" - stelle.
Non molto tempo fa, gli astronomi americani hanno scoperto tre quasar, che sono tra gli oggetti “più antichi” conosciuti dalla scienza nell’Universo. La loro distanza dal nostro pianeta è di oltre 13 miliardi di anni luce. Le distanze dalle formazioni cosmiche distanti vengono determinate utilizzando il cosiddetto "spostamento verso il rosso", uno spostamento nello spettro delle radiazioni di oggetti in rapido movimento. Più sono lontani dalla Terra, più velocemente, secondo le moderne teorie cosmologiche, si allontanano dal nostro pianeta. Il precedente record di distanza era stato stabilito nel 2001. Il redshift del quasar scoperto allora fu stimato a 6,28. Il trio attuale ha offset di 6.4, 6.2 e 6.1.
Passato oscuro
I quasar scoperti sono solo il 5% “più giovani” dell’Universo. Ciò che accadde prima di loro, subito dopo il Big Bang, è difficile da documentare: l'idrogeno, formatosi 300.000 anni dopo l'esplosione, blocca la radiazione dei primi oggetti spaziali. Solo l’aumento del numero delle stelle e la conseguente ionizzazione delle nubi di idrogeno rendono possibile squarciare il velo sul nostro “passato oscuro”.
Ottenere e verificare tali informazioni richiede la collaborazione di diversi potenti telescopi. Un ruolo chiave in questa materia spetta al telescopio spaziale Hubble e allo Sloan Digital Telescope, situati presso l'Osservatorio del New Mexico.
Una potente lente gravitazionale che amplificava la luce duemila volte ha aiutato l'Osservatorio orbitante Hubble a scattare fotografie di una stella a 9 miliardi di anni luce dalla Terra, secondo un articolo pubblicato sulla rivista Nature.
"Per la prima volta siamo riusciti a vedere una stella normale - non una supernova, non un lampo di raggi gamma, ma la stella più ordinaria, a nove milioni di anni luce da noi. Ci sembra che ci siano altre sovrapposizioni simili di "cosmico lenti" ci aiuteranno a vedere le prime stelle dell'Universo l'universo ci ha dato il più grande telescopio che possa esistere", ha detto Alexey Filippenko dell'Università della California a Berkeley (USA).
Qualsiasi accumulo di materia di grande massa, inclusa la materia oscura, interagisce con la luce e ne fa piegare i raggi, proprio come fanno le normali lenti ottiche. Gli scienziati chiamano questo effetto lente gravitazionale. In alcuni casi, la curvatura dello spazio aiuta gli astronomi a vedere oggetti ultra-distanti – le prime galassie dell’Universo e i loro nuclei di quasar – che sarebbero inaccessibili all’osservazione dalla Terra senza “ingrandimento” gravitazionale.
Se due quasar, galassie o altri oggetti vengono posizionati uno accanto all'altro per gli osservatori sulla Terra, accade una cosa interessante: la luce dell'oggetto più distante verrà divisa mentre passa attraverso la lente gravitazionale del primo. Per questo motivo vedremo non due, ma cinque punti luminosi, quattro dei quali saranno "copie" luminose di un oggetto più distante. Inoltre, queste "lenti Einstein" sono spesso sovrapposte l'una all'altra, il che intensifica la luce di oggetti ancora più distanti.
Filippenko e i suoi colleghi, compresi Premio Nobel Adam Riess, per la prima volta, è riuscito a ottenere immagini dettagliate di una stella che esisteva in una delle prime galassie dell'Universo, osservando l'ammasso di galassie MACS J1149, situato nella costellazione del Leone a una distanza di cinque miliardi di anni luce da Terra.
Questo ammasso, come hanno scoperto gli scienziati nel 2014, copre un’altra grande “famiglia” di galassie, le cui tracce possono essere viste sotto forma di un anello luminoso di luce che circonda MACS J1149. Analizzandone la struttura utilizzando le immagini scattate da Hubble nel 2016 e nel 2017, Filippenko e i suoi colleghi hanno notato un oggetto insolito che si distingueva dalla gamma generale delle galassie.
Dopo aver analizzato il suo spettro e misurato le sue dimensioni, gli scienziati hanno scoperto che non si trattava di una supernova o di un lampo di raggi gamma, ma di una stella normale, classificata come supergigante blu. Si trova alla periferia di una galassia distante circa 9 miliardi di anni luce dalla Terra, sul bordo opposto della quale è esplosa relativamente di recente una supernova, SN Refsdal, la cui luce è stata notevolmente amplificata anche dalla “lente” di MACS J1149.
In passato, questa stella, soprannominata Icarus e denominata MACS J1149 LS1, rimaneva invisibile a Hubble o a qualsiasi altro telescopio. È diventata visibile solo dopo che la sua posizione nella galassia è cambiata e la sua luce ha cominciato a passare attraverso le vicinanze di un'altra stella, una piccola stella nana delle dimensioni del Sole, nel suo cammino verso l'ammasso MACS J1149. Ciò ha aumentato il suo bagliore di 600 volte e ha permesso agli astronomi di scoprirlo.
Nel prossimo futuro, Filippenko e i suoi colleghi si aspettano che MACS J1149 LS1 diventi ancora più luminoso a causa di ulteriori spostamenti nella posizione delle stelle nella sua galassia natale. Le osservazioni di questa stella, sperano gli scienziati, aiuteranno a comprendere il ruolo svolto dalla materia oscura nella formazione di tali lenti gravitazionali e ad avvicinarsi alla scoperta dei cosiddetti buchi neri primordiali.
Nel maggio 2015, il telescopio Hubble ha registrato l’esplosione della galassia più distante, e quindi più antica, finora conosciuta. La radiazione ha impiegato ben 13,1 miliardi di anni luce per raggiungere la Terra ed essere rilevata dalle nostre apparecchiature. Secondo gli scienziati, la galassia è nata circa 690 milioni di anni dopo il Big Bang.
Si potrebbe pensare che se la luce della galassia EGS-zs8-1 (questo è il nome elegante che le hanno dato gli scienziati) volasse fino a noi per 13,1 miliardi di anni, allora la distanza da essa sarebbe uguale a quella che la luce percorrerà durante questi 13,1 miliardi di anni.
La galassia EGS-zs8-1 è la galassia più distante scoperta fino ad oggi Ma non dobbiamo dimenticare alcune caratteristiche della struttura del nostro mondo, che influenzeranno notevolmente il calcolo della distanza. Il fatto è che l’universo si sta espandendo, e lo sta facendo a un ritmo accelerato. Si scopre che mentre la luce viaggiava per 13,1 miliardi di anni verso il nostro pianeta, lo spazio si espandeva sempre di più e la galassia si allontanava da noi sempre più velocemente. Una rappresentazione visiva del processo è mostrata nella figura seguente.
Data l'espansione dello spazio, la galassia più distante EGS-zs8-1 in al momento si trova a circa 30,1 miliardi di anni luce da noi, un record tra tutti gli altri oggetti simili. È interessante notare che fino a un certo punto scopriremo galassie sempre più lontane, la cui luce non ha ancora raggiunto il nostro pianeta. Si può affermare con certezza che il record della galassia EGS-zs8-1 verrà battuto in futuro.
Questo è interessante: Spesso c’è un’idea sbagliata riguardo alle dimensioni dell’universo. La sua larghezza viene confrontata con la sua età, che è di 13,79 miliardi di anni. Ciò non tiene conto del fatto che l’universo si sta espandendo a un ritmo accelerato. Secondo stime approssimative, il diametro dell'universo visibile è di 93 miliardi di anni luce. Ma esiste anche una parte invisibile dell'universo che non potremo mai vedere. Maggiori informazioni sulla dimensione dell'universo e sulle galassie invisibili nell'articolo ““.
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