Il telescopio Webb potrebbe aver avvistato le prime stelle

I più profondi spettri del James Webb riaprono la questione della "prima luce"

Cosa ha effettivamente scoperto il team

Lo studio si concentra su quattro obiettivi ad altissimo redshift estratti dalle indagini profonde (deep surveys) del JWST. Un oggetto in particolare — catalogato nei dati delle indagini del JWST come JADES-GS-z14-0 — mostra un tentativo di flessione nel suo spettro alla lunghezza d'onda corrispondente all'elio singolarmente ionizzato (He II) a 1640 Å nel sistema di riposo (restframe). Quella caratteristica di assorbimento è evidenziata nell'articolo come una potenziale prova inconfutabile ("smoking-gun") di una stella oscura supermassiccia, poiché i modelli teorici prevedono un forte assorbimento di He II nelle atmosfere estese e relativamente fredde di tali oggetti. Gli autori sottolineano che il rilevamento è debole (rapporto segnale-rumore approssimativamente di ordine due) e deve essere trattato con cautela.

Ma c'è ossigeno nelle vicinanze

A complicare il quadro, le osservazioni di follow-up con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hanno rilevato con robustezza la riga [O III] a 88 μm dalla stessa posizione nel cielo e misurato un redshift spettroscopico preciso di z ≈ 14,18. La misurazione di ALMA implica un non trascurabile arricchimento di metalli — l'ossigeno è presente a un livello che depone contro un ambiente primordiale puramente privo di metalli. Ciò escluderebbe una stella oscura isolata e incontaminata, a meno che essa non sia immersa in, o si sia mescolata con, un sistema arricchito di metalli, come discusso dagli autori dell'articolo. Il rilevamento di ALMA fornisce anche un redshift indipendente e ad alta precisione che aiuta a consolidare l'interpretazione degli spettri del JWST.

Cosa sono le stelle oscure e perché sono importanti?

L'idea delle stelle oscure è stata proposta più di un decennio fa: nell'Universo primordiale, le nubi di gas in contrazione che stavano formando i primi oggetti luminosi sarebbero state immerse in densi ammassi di materia oscura. Se la particella di materia oscura si annichila con se stessa, l'energia rilasciata potrebbe riscaldare il gas e produrre un oggetto luminoso grande e diffuso che non raggiunge mai lo stato compatto dominato dalla fusione delle stelle ordinarie. In molti modelli questi oggetti possono crescere fino a diventare estremamente massicci ed estremamente brillanti — in alcuni scenari una singola stella oscura supermassiccia può superare in luminosità un'intera piccola galassia. Rilevare un oggetto del genere non solo riscriverebbe i manuali sulla formazione delle prime stelle, ma offrirebbe anche una rara finestra astrofisica sulla natura particellare della materia oscura.

In che modo una stella oscura differisce dalle comuni prime stelle

Perché l'affermazione è ancora provvisoria

Ci sono ragioni importanti per rimanere cauti. In primo luogo, la caratteristica di assorbimento dell'He II riportata nello spettro del JWST è debole; a un basso rapporto segnale-rumore, effetti strumentali, la sottrazione del fondo o la sovrapposizione di caratteristiche nebulari possono produrre flessioni spurie. In secondo luogo, molti dei candidati possono anche essere modellati come regioni di formazione stellare estremamente compatte e intense, o come buchi neri in accrescimento, specialmente quando è presente un'emissione nebulare. In terzo luogo, il rilevamento di ossigeno da parte di ALMA implica un contenuto metallico difficile da conciliare con una stella oscura del tutto incontaminata — sebbene gli autori delineino scenari in cui una stella oscura potrebbe coesistere con gas vicino arricchito di metalli (ad esempio dopo una fusione). Infine, il campo ha visto diverse affermazioni iniziali eclatanti dai dati del JWST che hanno richiesto un follow-up più approfondito per essere risolte, quindi la comunità è deliberatamente esigente riguardo alle conferme.

Cosa verrebbe considerato una conferma?

Una conferma robusta richiede spettri con un rapporto segnale-rumore più elevato che riproducano le stesse caratteristiche, imaging a risoluzione spaziale in grado di distinguere un singolo oggetto puntiforme da una galassia compatta, e misurazioni multi-lunghezza d'onda (ALMA, medio infrarosso, persino i futuri telescopi terrestri della classe 30 metri) per mappare gas, stelle e possibile polvere. Nello scenario della stella oscura, un assorbimento chiaro e ripetibile di He II 1640 accompagnato dalla forma prevista del continuo e dalla mancanza della tipica emissione nebulare sarebbe convincente. Al contrario, rilevamenti più forti di molteplici righe metalliche o popolazioni stellari risolte favorirebbero l'interpretazione di una galassia primordiale.

Implicazioni più ampie se confermato

Se una popolazione di stelle oscure fosse confermata, le conseguenze sarebbero profonde. Esse offrono una via naturale per produrre semi di buchi neri massicci in epoche precoci, aiutando a spiegare i quasar da un miliardo di masse solari già visti a redshift superiori a sei. Collegherebbero anche la cosmologia alla fisica delle particelle ponendo vincoli alle proprietà di annichilazione delle particelle di materia oscura. Infine, la scoperta di una classe di oggetti luminosi precedentemente sconosciuta all'alba cosmica rimodellerebbe i modelli di formazione delle prime galassie e della reionizzazione. Ma tutto questo dipende dal superamento dell'alto standard richiesto per la prova osservativa.

Prossimi passi e clima scientifico

Per ora, il Webb ha fornito agli astronomi i migliori e più diretti indizi finora ottenuti sui primissimi oggetti luminosi. Resta da vedere se questi indizi puntino a un'alba convenzionale di piccole stelle alimentate dalla fusione o a un'era esotica di giganti alimentati dalla materia oscura — ma la caccia alla prima luce cosmica è entrata in una fase decisiva e profondamente intrigante.