Dai confini del Cosmo al nostro sistema solare: JWST inizia a svelare l’Universo

La rivelazione delle prime immagini del telescopio James Webb era stata preannunciata con oltre un mese di anticipo, e le agenzie spaziali coinvolte (NASA, ESA e CSA) avevano invitato l’intero mondo scientifico a organizzare eventi per dare il giusto risalto a un momento estremamente significativo per l’astronomia.
Ed è così che, fin dalla notte italiana tra lunedì 11 e martedì 12, siamo stati inondati dalle pazzesche composizioni che il telescopio spaziale più potente di sempre è stato in grado di realizzare in quella che per lui è stata una normale settimana di lavori. Appena sette giorni che hanno già fatto nascere tantissime domande nuove, mostrato particolari del Cosmo che non conoscevamo e, in ultimo ma non per importanza, continuato a ridimensionare il nostro presunto ruolo di fine ultimo dell’Universo che ci siamo arrogantemente assegnati.

Vediamo quindi queste immagini nello stesso ordine con cui sono state presentate al mondo.

Si parte dal primo campo profondo del James Webb Space Telescope.

Davanti a voi c’è l’immagine più profonda dell’Universo in infrarosso che l’umanità abbia mai prodotto. L’oggetto al centro, costituito da alcuni globi chiari e una evanescente luminosità diffusa, è l’ammasso di galassie SMACS 0723, situato a 4.8 miliardi di anni luce da noi. La sua mostruosa massa deforma lo spazio-tempo e dà luogo al fenomeno della lente gravitazionale: la luce di galassie ancora più lontane viene curvata generando degli archi concentrici attorno a esso. State vedendo la deformazione in anelli di Einstein di oggetti distanti sino a 13.1 miliardi di anni luce, la cui radiazione viene amplificata grazie a questo strumento meraviglioso di cui le leggi dell’Universo ci hanno fatto dono.

L’acquisizione di questo primo campo profondo ha richiesto un tempo complessivo di appena 12.5 ore. Veramente un’inezia se confrontato con il tempo che fu richiesto al telescopio Hubble per produrre il suo XDF che impiegò ben 21 giorni producendo un’immagine in ogni caso neppure confrontabile con il dettaglio e la profondità di quella del JWST. Ed è proprio la quantità di nuove luci che l’elevatissima sensibilità del telescopio Webb ha acceso che ci lascia a bocca aperta: migliaia di galassie, lontanissime nello spazio e nel tempo, si mostrano a noi per la prima volta in un campo piccolissimo paragonato, per usare il Sistema Dimensionale Americano Standard (sarcasmo), alla dimensione di “un granello di sabbia tenuto alla distanza di un braccio”.
Nel Sistema Internazionale invece parliamo di circa 2.4 minuti d’arco per lato.

Vi invito a visionare l’immagine a piena risoluzione disponibile a questo link.

La seconda immagine rilasciata riguarda la misurazione della composizione atmosferica di un pianeta distante da noi circa 1150 anni luce. Si tratta del gigante gassoso caldo denominato WASP-96 b, corpo che orbita una stella simile al nostro Sole collocata nella costellazione australe della Fenice.

Il più dettagliato spettro dell’atmosfera di un esopianeta è stato realizzato dallo strumento NIRISS in modalità SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy), deputato all’osservazione nel vicino infrarosso di singoli corpi. La rilevazione, grazie all’analisi delle linee di assorbimento specifiche di ciascun elemento, mostra l’inequivocabile firma chimica dell’acqua. Il pianeta orbita attorno alla propria stella in appena 3.5 giorni terrestri, perciò in considerazione delle temperature estreme a cui si trova sottoposto (stimate in 725°C) l’acqua si trova in forma di vapore. Questo gigante deve essere perciò circondato da nubi e da un intricato sistema atmosferico, che l’immagine nello sfondo del grafico prova a ricostruire con un’impressione artistica (non siamo ovviamente in grado di fotografare con questa risoluzione un esopianeta, neanche con il JWST!).
È la prima volta che possiamo fare un’analisi spettrografica di un pianeta extrasolare alle lunghezze d’onda oltre gli 1.6 micron con tale risoluzione, ed è anche la prima osservazione da un singolo strumento che spazi da 0.6 a 2.3 micron (ovvero dal rosso visibile al vicino infrarosso).

Maggiori dettagli sul grafico e le sue implicazioni a questo link.

La terza immagine che vi mostro ci porta più lontano dalla Terra, a circa 2000 anni luce. In direzione della costellazione della Vela incontriamo la nebulosa ad anello del sud. JWST ha eseguito sei separate esposizioni a differenti lunghezze d’onda impiegando lo strumento NIRCam. Vi ricordo che immagini del genere sono in falsi colori: alle rilevazioni a banda stretta del sensore monocromatico sono assegnati dei colori arbitrari con una corrispondenza proporzionale alle lunghezze d’onda del visibile dal rosso al blu.

Stiamo guardando una nebulosa planetaria, l’emissione di materia di una stella morente i cui gas in espansione sono illuminati e ionizzati dalla luce degli astri. Parlo al plurale perché al centro della nebulosa risiedono due stelle. La debole nana bianca, responsabile dell’emissione, è visibile poco in basso a sinistra in corrispondenza di uno degli spike generati dalla luminosissima compagna. Le due stelle sono legate in un abbraccio gravitazionale, con le reciproche interazioni che perturbano la forma della nebulosa e nei millenni hanno dato luogo sino a otto strati nell’emissione di materia.
Osservate le sfumature di verde/azzurro della regione centrale dovute alle variazioni di densità dei gas; o gli innumerevoli fasci luminosi che si irradiano dal centro, legati a disomogeneità della nube dove di tanto in tanto la luce riesce a penetrare con maggiore facilità. Stupitevi infine con le numerose galassie che adornano lo sfondo dell’immagine, la cui radiazione infrarossa non viene totalmente bloccata dalla nebulosa.
Il medesimo oggetto è stato ripreso anche con lo strumento MIRI per fornirci una visione a lunghezze d’onda maggiori nel medio infrarosso sebbene a risoluzione inferiore.

In questa immagine la nana bianca generatrice della nebulosa planetaria appare con chiarezza, insieme alle galassie lontane che stavolta non fatichiamo a scorgere. La quasi totalità di queste luci parassite sono proprio oggetti extragalattici, facilmente distinguibili dalle stelle presenti nel campo che hanno una caratteristica diffrazione a forma di fiocco di neve.
Raccomandata la visione a tutta risoluzione di queste immagini, raggiungibili a questo link e a questo link.

Per la quarta immagine dobbiamo abbandonare nuovamente la nostra galassia, e andare per 290 milioni di anni luce in direzione della costellazione di Pegaso. È qui ospitato un gruppo di galassie denominato Quintetto di Stephan. Per riprenderlo sono state necessarie oltre 1000 singole foto da parte del telescopio Webb per coprire un’area pari circa a un quinto della dimensione della Luna e che, a quelle distanze, spazia per 620 mila anni luce.

Gli strumenti MIRI e NIRCam sono stati usati contemporaneamente e con un totale di otto filtri distinti. Le immagini risultanti sono poi state combinate per mostrare una rappresentazione a banda più ampia. Delle cinque galassie ce n’è in realtà una non legata alle altre: si tratta di quella più a sinistra, NGC 7320, in primo piano e distante da noi “solo” 40 milioni di anni luce. Splendidi dettagli sono offerti da quest’ultima con la risoluzione persino di singole stelle e del nucleo galattico grazie a NIRCam.
Ma il vero spettacolo lo offre l’interazione gravitazionale tra le altre galassie ben catturato da MIRI, alle cui rilevazioni sono state assegnate le tonalità del rosso e dell’oro. Milioni di giovani stelle stanno nascendo dal rimescolamento dei gas intergalattici, con creste di polveri e astri che si sparpagliano attorno alle galassie interagenti seguendo delle onde d’urto. È una visione totalmente inedita di questo oggetto noto da quasi un secolo e mezzo, la cui distanza ravvicinata permetterà uno studio accurato per sviluppare modelli utili a comprendere simili comportamenti da parte di galassie molto più lontane in un universo più giovane.

Le immagini a piena risoluzione sono da ben 150 megapixel l’una (MIRI, NIRCam e la combinazione delle due). Potrebbe volerci un po’ a scaricarle, ma penso sia un’altra visione da non perdere. Le foto e maggiori dettagli a questo link.

Per l’ultimo oggetto di questa serie di fotografie torniamo all’interno della Via Lattea e guardiamo verso il cielo australe. Stiamo osservando NGC 3324, la nebulosa della Carena, situata nell’omonima costellazione a 7600 anni luce di distanza.

All’interno della nebulosa, ricchissima di gas, sono in corso intensi processi di formazione stellare. Già Hubble potè constatarne l’esistenza, ma questa nuova visione negli infrarossi permette di penetrare il denso velo di materia e osservare per la prima volta innumerevoli astri prima d’ora nascosti.
Questo piccolo dettaglio della Carina nebula è stato denominato Cosmic cliff (rupe cosmica) e si estende orizzontalmente per circa 16 anni luce. Ci troviamo in una porzione periferica dell’oggetto, con il centro della nebulosa che si trova in alto all’esterno dell’inquadratura. L’enorme buco è stato generato dalla radiazione ultravioletta e dai venti stellari di giovani stelle calde ed estremamente massive, che hanno consumato la materia presente e tutt’ora stanno sagomando le nubi.
L’acquisizione da parte di NIRCam ha impiegato 5 differenti filtri, permettendo un’acquisizione con dettaglio inedito che oltre a nuove stelle svela anche numerose galassie lontane nello sfondo.

Parte dell’inquadratura è stata coperta anche con la camera MIRI, per un’immagine che copre circa 12 anni luce. La combinazione delle varie acquisizioni consente ancora una volta di svelare nuovi dettagli penetrando ulteriormente all’interno di questa maestosa area di formazione stellare.

Devo ripetermi un’altra volta e invitarvi a visionare le immagini a piena risoluzione raggiungibili a questa pagina e questa pagina.

Abbiamo finito? No, c’è qualche piccolo extra!
Sulla scia dell’entusiasmo per queste prime cinque immagini la NASA ha più recentemente rilasciato anche alcune acquisizioni relative alla fase di collaudo che l’osservatorio spaziale ha effettuato nelle settimane precedenti l’inizio delle attività scientifiche.

Andiamo quindi molto, molto più vicino e osserviamo il familiare gigante gassoso Giove e la sua luna Europa.

A questa lunghezza d’onda spicca il luminoso ovale della Grande Macchia Rossa, insieme alle caratteristiche bande del pianeta. Il piccolo punto scuro sul disco gioviano nelle vicinanze della GMR è proprio l’ombra di Europa! Immagini come questa dimostrano l’elevatissima dinamica di osservabilità del telescopio Webb, che spazia da oggetti debolissimi sino a pianeti visibili a occhio nudo dai centri cittadini.

Immagini aggiuntive di Giove, acquisite ed elaborate con tecniche differenti, mostrano altri satelliti del pianeta e persino il suo debolissimo anello.

L’ultimo test che vi mostro riguarda un particolare tecnico che permette di estendere le potenzialità di investigazione del JWST, ovvero la capacità di inseguimento di un oggetto. Questa funzionalità torna utile nel corso delle osservazioni di pianeti solari e asteroidi, i più interni dei quali si muovono rapidamente lungo la loro orbita. Per eseguire i test di inseguimento è stato selezionato tra gli altri il corpo 6481 Tenzing situato nella fascia di asteroidi tra Marte e Giove. Il risultato nella gif seguente (se non dovesse partire da sola cliccate sull’immagine).

L’asteroide appare muoversi sullo sfondo di stelle, con il luminosissimo oggetto visibile in alto all’inizio dell’animazione che è proprio Giove. Questa sequenza dimostra così la capacità di inseguire un oggetto anche con il disturbo di una sorgente di luce estremamente intensa.

Ma quanto velocemente può avvenire l’inseguimento da parte del JWST?
Le specifiche prevedevano una capacità di spostamento di almeno 30 milliarcosecondi al secondo, pari circa alla velocità apparente di spostamento di Marte. Durante il collaudo i tecnici hanno eseguito l’inseguimento di numerosi asteroidi e tutti quanti sono stati ripresi in modo puntiforme come da attese sino a velocità di ben 67 mas/s, dimostrando prestazioni migliori di oltre il doppio di quelle attese. Secondo i miei conti (siete incoraggiati a verificarli) questa velocità è quella a cui appare muoversi un oggetto che trasla a quasi 2 cm al minuto quando visto da un km di distanza.
In SDAS (ancora sarcasmo) parliamo di una tartaruga che si muove vista da un miglio di distanza (hanno scritto davvero questo, ve lo giuro).

“Somewhere, something incredible is waiting to be known”
Carl Sagan