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Hubble scopre Earendel, la stella più distante mai osservata

Il suo nome ufficiale è WHL0137-LS, ma gli astronomi l’hanno ribattezzata Earendel, che in inglese antico significa «stella del mattino» o «stella dell’alba». E in effetti è un astro che risale proprio all’alba dei tempi: meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang! Si tratta della singola stella più lontana a noi nota. A trovarla nella costellazione della Balena, non distante dalla stella Mira, è stato il telescopio spaziale Hubble, ancora capace di compiere scoperte sensazionali dopo oltre trent’anni di onorato servizio. Ma come è stato possibile osservare una stella così lontana nello spazio e nel tempo? E qual è il potenziale scientifico di questa scoperta? Andiamo a scoprirlo insieme.

Record di distanza

A detenere il record precedente era la stella MACS J1149 Lensed Star 1, soprannominata poi Icarus, scoperta anch’essa dal telescopio Hubble nel 2018. Si tratta di una supergigante blu la cui luce catturata da Hubble è partita quando l’universo aveva soltanto 4,4 miliardi di anni.

La stella Icarus, osservata dal telescopio Hubble nel 2018, è diventata visibile in seguito alla sua esplosione come supernova.
Credits: NASA, ESA, and P. Kelly (University of Minnesota)

Se questa distanza è senz’altro da capogiro, quasi impallidisce però di fronte all’incredibile distanza di Earendel, la cui luce che osserviamo oggi è partita quando l’universo aveva appena 900 milioni di anni. Detto in altre parole, la sua luce ha viaggiato per la bellezza di 12,9 miliardi di anni prima di giungere a noi: una durata pari al 93,5% dell’età dell’universo!

Stiamo vedendo questo piccolo puntino luminoso com’era quando l’universo era ancora un bambino. E lo stiamo vedendo a una distanza tale per cui sono difficili da osservare intere galassie, figuriamoci singole stelle. Qual è stata quindi la magia che ha reso possibile una scoperta così straordinaria?

L’immagine con cui il telescopio spaziale Hubble ha scoperto la stella Earendel.
Credits: SCIENCE: NASA, ESA, B.Welch, D.Coe; PROCESSING: NASA, ESA, A.Pagan

Quanto è distante Earendel?

Spesso negli articoli divulgativi le distanze cosmologiche vengono espresse in termini di “quanto tempo la luce di quell’oggetto ha impiegato per arrivare a noi” (quello che gli astronomi chiamano lookback time) invece che in termini di anni luce.

Per piccole distanze i due valori coincidono. Per esempio, Alfa Centauri si trova a 4,3 anni luce da noi e la sua luce impiega 4,3 anni per arrivare a noi. Questa uguaglianza non vale però per distanze molto grandi, dove entra in gioco anche l’espansione dell’universo. La luce di Earendel ha impiegato 12,9 miliardi di anni per arrivare a noi, ma la sua distanza è di 28 miliardi di anni luce.

Questo perché negli ultimi 12,9 miliardi di anni l’universo non è rimasto fermo, ma si è espanso. È come se, mentre corressimo una maratona, il traguardo si allontanasse da noi: a patto che la sua velocità sia sufficientemente bassa rispetto alla nostra, alla fine della corsa avremmo percorso più di 42 km. La stessa cosa vale per i fotoni provenienti dagli oggetti lontani.

Come è stata scoperta

Nessuna magia in realtà, solo fisica. Relatività generale, per la precisione. Secondo la teoria di Albert Einstein, la gravità deflette la luce. Intuitivamente pensiamo che per sentire la gravità occorra avere massa, ma la luce non ha massa, quindi non dovrebbe essere influenzata dalla gravità. 

Questa idea – che deriva dalla concezione newtoniana della gravitazione che si studia a scuola – è in realtà sbagliata. Uno dei risultati centrali della relatività generale è che la gravità non è l’effetto di una forza, come sosteneva Newton, ma della curvatura del “lenzuolo” spaziotemporale. E nell’universo tutto è obbligato a seguire le increspature dello spaziotempo. Tutto, anche la luce. Semplicemente non si può non seguire le pieghe del lenzuolo.

La deflessione della luce da parte di una grande massa (per esempio un ammasso di galassie) ricorda il comportamento di una lente che deforma l’immagine di un oggetto. L’analogia non è precisissima: le lenti ottiche infatti focalizzano un raggio di luce in un punto, mentre le lenti gravitazionali lo focalizzano in una linea. Se questa linea coincide con la nostra linea di vista, cioè se c’è un allineamento tra noi, l’oggetto deformante e l’oggetto deformato, ecco che possiamo effettivamente vedere la deformazione: si parla in questi casi di lensing gravitazionale.

Grandi masse possono deviare la traiettoria della luce: è il fenomeno del lensing gravitazionale.

Il lensing gravitazionale può produrre a seconda dei casi immagini multiple di un oggetto o immagini deformate. Ma ha anche un altro effetto: amplifica la luce dell’oggetto retrostante, agendo quindi come un “telescopio naturale” che ci consente di individuare oggetti altrimenti troppo deboli per essere osservati.

È proprio così che Hubble ha scoperto Icarus ed Earendel. La luce di Icarus, per esempio, è stata amplificata di oltre 2000 volte dal lensing gravitazionale prodotto dall’ammasso di galassie MACS J1149. Anche Earendel è stata amplificata migliaia di volte, da un grande ammasso di galassie che risponde al nome di WHL0137-08. È l’allineamento fortuitamente molto preciso tra la stella e l’ammasso di galassie il responsabile di queste amplificazioni così intense.

In questo caso, a subire l’effetto di lensing gravitazione in realtà non è stata solo la stella Earendel ma l’intera galassia che la ospita, che ci appare nell’immagine di Hubble come un arco rosso (per effetto del redshift). La galassia si chiama Sunrise Arc (“Arco dell’alba”) e presenta diversi “pallini” che corrispondono a vari ammassi stellari. Uno di questi, indicato dalla freccia, è invece una singola stella, Earendel, visibile per via della sua enorme luminosità.

L’arco rosso è l’immagine della galassia che ospita Earendel, deformata dal lensing gravitazionale.
Credits: SCIENCE: NASA, ESA, B.Welch, D.Coe; PROCESSING: NASA, ESA, A.Pagan

La galassia più distante

Earendel è la stella più distante a noi nota, ma non l’oggetto più distante. Questo record va a una galassia, scoperta anch’essa dal telescopio Hubble nel 2016, chiamata GN-z11. Il lookback time di questa galassia è poco meno di 13,4 miliardi di anni: la sua luce è partita quando l’universo aveva appena 420 milioni di anni! La sua distanza è pari a 32 miliardi di anni luce. È talmente lontana che per effetto del redshift è visibile soltanto negli infrarossi.

Nei mesi scorsi ha fatto capolino una galassia candidata a battere il record di GN-z11: HD1. È stata osservata in banda radio dall’osservatorio ALMA, in Cile. Il suo lookback time è 13,5 miliardi di anni, ma non è ancora stato confermato. Occorreranno osservazioni più precise, a cui nel prossimo futuro potrebbe contribuire anche il telescopio spaziale James Webb. 

Perché è una scoperta importante

Le prime analisi indicano che Earendel sia un vero peso massimo di 50-100 masse solari, una temperatura superficiale stimata a 20.000 °C, e una luminosità milioni di volte maggiore di quella del nostro Sole che è rimasta pressappoco costante negli ultimi tre anni e mezzo. 

Per il resto sappiamo ancora ben poco di questa stella. Non sappiamo, per esempio, se è una stella singola o un sistema binario di stelle che Hubble non è in grado di risolvere nelle sue singole componenti. E soprattutto non conosciamo la sua composizione chimica. Questo è l’aspetto decisamente più interessante di Earendel. Visto che la sua “data di nascita” è così vicina al Big Bang, Earendel potrebbe essere una cosiddetta stella di popolazione III, ovvero potrebbe appartenere alla primissima generazione di stelle nell’universo, quelle che si formarono quando nel cosmo erano presenti soltanto idrogeno ed elio (e tracce di litio; tutti gli elementi più pesanti sono infatti prodotti dalle stelle).

Queste stelle sono cruciali per comprendere l’universo primordiale, ma finora non sono mai state osservate. Se si analizzasse la composizione chimica di Earendel e si scoprisse che è fatta solo di questi due elementi, avremmo trovato la primissima stella di popolazione III a noi nota. Sarebbe una scoperta sensazionale, epocale, perché ci aiuterebbe a fare luce sulle prime fasi di vita dell’universo. A oggi infatti non sappiamo quando e come si siano formate le prime stelle e le prime galassie: se Earendel fosse di popolazione III potrebbe esserci di enorme aiuto in questo senso.

C’è da dire però che le probabilità che Earendel sia una stella di prima generazione sono piuttosto scarse. Se ha effettivamente una stazza di almeno 50 masse solari, infatti, non può avere più di qualche centinaio di migliaia di anni di età (le stelle molto massicce vivono infatti molto poco). Significa che è nata 900 milioni di anni dopo il Big Bang, mentre si ritiene che le primissime stelle si siano formate qualche centinaio di milioni di anni prima. L’ipotesi della popolazione III comunque non è da escludere, e anzi al momento è di estremo interesse per gli astronomi.

In attesa di JWST

Il telescopio spaziale James Webb è già stato “prenotato” per studiare meglio questa stella. Una volta che diventerà operativo, all’inizio dell’estate, il nuovissimo telescopio spaziale della NASA dovrà rispondere a svariate domande: Earendel è effettivamente una stella? Si tratta di una stella singola o di un sistema multiplo? Quali sono esattamente le sue proprietà fisiche? E soprattutto: è una stella di popolazione III?

Con uno specchio primario da ben 6,5 metri di diametro, James Webb potrebbe anche in futuro scoprire stelle ancora più distanti di Earendel. L’obiettivo è spingersi più lontano possibile, per sciogliere una volta per tutte i vari misteri che aleggiano sulle cosiddette “epoche oscure” dell’universo primordiale.

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