Come JWST vede l'universo in modo diverso
Il telescopio spaziale James Webb osserva principalmente nel vicino e medio infrarosso (0,6–28 μm), rispetto alla gamma ottica/UV di Hubble. Questo è fondamentale per due ragioni:
- Spostamento verso il rosso cosmologico: La luce proveniente dall'universo primordiale viene spostata verso il rosso dall'espansione dello spazio dalle lunghezze d'onda visibili/UV all'infrarosso. JWST può osservare oggetti ai quali Hubble è essenzialmente cieco perché la loro luce è stata allungata oltre le lunghezze d'onda ottiche.
- Penetrazione della polvere: La luce infrarossa passa attraverso nubi di polvere che bloccano la luce ottica. JWST può vedere nei vivai stellari e nei centri galattici che apparivano opachi a Hubble.
Lo specchio primario di JWST ha un diametro di 6,5 metri (contro i 2,4 m di Hubble) ed è costituito da 18 segmenti esagonali di berillio rivestiti in oro, che gli conferiscono un'area di raccolta della luce 6,25 volte più grande. Orbita attorno al punto Lagrange Sole-Terra L2, a 1,5 milioni di km dalla Terra, mantenuto a ~40 K per ridurre al minimo il rumore termico.
Le galassie "impossibilmente" iniziali: la storia più grande
Nel giro di poche settimane dalle prime immagini scientifiche di JWST (luglio 2022), i ricercatori hanno iniziato a trovare galassie con spostamenti verso il rosso straordinari, corrispondenti a soli 300-500 milioni di anni dopo il Big Bang. Questo era previsto. Ciò che non ci si aspettava era il loro massa e luminosità.
Le simulazioni cosmologiche standard (ΛCDM — Λ Cold Dark Matter) prevedono che le galassie crescano gradualmente attraverso la fusione gerarchica e la formazione stellare. Galassie con massa pari a 10¹⁰–10¹¹ masse solari non dovrebbero esistere fino ad almeno 1–2 miliardi di anni dopo il Big Bang. JWST sta trovando candidati z ≈ 7–13 che, se confermati, sarebbero molto più massicci del previsto.
Un articolo del 2023 su Nature Astronomy (Labbe et al.) ha descritto sei galassie candidate estremamente massicce a z = 7–10. Se i loro spostamenti verso il rosso fotometrici fossero confermati spettroscopicamente, le densità di massa stellare implicite supererebbero le previsioni ΛCDM di fattori di ~100.
La galassia spettroscopica confermata più distante all’inizio del 2024 è JADES-GS-z14-0, a z ≈ 14,32 – corrispondente alla luce emessa appena 290 milioni di anni dopo il Big Bang – stabilendo un nuovo record.
Uno spostamento verso il rosso di z = 14 significa che le lunghezze d’onda della luce sono state allungate di un fattore di (1+z) = 15 – quindi la luce visibile emessa da quelle galassie arriva come infrarosso, con lunghezze d’onda 15 volte più lunghe. L'universo era 1/(1+z)³ = 1/3375 della sua dimensione attuale quando fu emessa quella luce.
Rilevazione dell'atmosfera di esopianeti
La sensibilità agli infrarossi di JWST lo rende il più potente strumento di caratterizzazione dell'atmosfera di esopianeti mai costruito. Le molecole nelle atmosfere dei giganti gassosi e dei pianeti rocciosi assorbono specifiche lunghezze d'onda dell'infrarosso, creando caratteristiche di assorbimento negli spettri di trasmissione (luce che passa attraverso l'atmosfera durante il transito) e negli spettri di emissione (luce emessa durante l'eclissi secondaria).
WASP-39 b — Primo rilevamento di CO2
Nel 2022, JWST ha effettuato il primo rilevamento inequivocabile di anidride carbonica (CO₂) nell’atmosfera di un esopianeta – su WASP-39 b, un caldo Giove a 700 anni luce di distanza. La precisione dello spettro era notevolmente migliore rispetto a qualsiasi strumento precedente. La rilevazione ha rivelato anche SO₂ (anidride solforosa), il primo prodotto fotochimico rilevato nell’atmosfera di un esopianeta, indicando la fotochimica dello zolfo guidata dalla radiazione UV della stella ospite.
Sistema TRAPPIST-1
Il sistema TRAPPIST-1 – sette pianeti delle dimensioni della Terra, tre nella zona abitabile – è il bersaglio extrasolare più significativo di JWST. I risultati di TRAPPIST-1c non hanno mostrato alcuna prova di una densa atmosfera di CO₂ simile a Venere. I risultati per TRAPPIST-1b non hanno mostrato un'atmosfera significativa. I restanti pianeti sono in fase di caratterizzazione: se qualcuno mostrasse prove di gas biofirma (O₂, CH₄, N₂O), sarebbe una delle scoperte scientifiche più significative della storia.
Formazione stellare e vivai stellari
La capacità di JWST di vedere attraverso la polvere ha rivelato le regioni di formazione stellare con un dettaglio senza precedenti. L’immagine “Cosmic Cliffs” della Nebulosa Carina ha rivelato centinaia di nuove protostelle – stelle embrionali ancora incastonate nei loro bozzoli di gas natali – precedentemente nascoste da Hubble dalla polvere. Ogni protostella mostra prove di getti e deflussi bipolari, che modellano attivamente la nube circostante.
Questi getti sono guidati dall’accrescimento: quando il materiale del disco protostellare cade sulla stella in formazione, la conservazione del momento angolare e la dinamica del campo magnetico lanciano getti perpendicolari a centinaia di km/s, che possono viaggiare ad anni luce dalla sorgente.
Stelle morenti e resti di supernova
JWST ha fotografato la Nebulosa dell'Anello Meridionale con un dettaglio senza precedenti, rivelando che la nana bianca centrale è in realtà un sistema binario, con una compagna che ha modellato la struttura della nebulosa per migliaia di anni. Lo strumento MIRI nel medio infrarosso ha rivelato l’emissione di idrogeno molecolare (H₂) dai gusci interni e dalle strutture di polvere che alla fine verranno riciclati nei futuri sistemi planetari: il riciclaggio cosmico alla fine della vita stellare.
Per SN 1987A (la supernova più vicina in 400 anni, osservata nel 1987 nella Grande Nube di Magellano), JWST ha rilevato l’atteso resto di stella di neutroni al centro: la prima conferma diretta di una stella di neutroni in questo resto, risolvendo un dibattito durato 35 anni.
La tensione di Hubble
Uno dei problemi più seri della cosmologia moderna è la tensione di Hubble: il tasso di espansione dell’universo misurato dall’universo primordiale (CMB, z~1100) dà H₀ ≈ 67,4 km/s/Mpc (Planck 2018), mentre le misurazioni dagli indicatori di distanza locali (variabili Cefeidi + supernovae di tipo Ia) danno H₀ ≈ 73 km/s/Mpc. La discrepanza è ora di circa 5σ.
JWST sta verificando se gli errori sistematici nelle misurazioni delle Cefeidi abbiano causato la discrepanza. Le prime misurazioni delle Cefeidi JWST (Riess et al. 2023) confermano il valore locale del telescopio spaziale Hubble: la tensione persiste a 5,3σ. Ciò suggerisce fortemente che potrebbe essere necessaria una nuova fisica oltre ΛCDM.
JWST smentisce il Big Bang?
No, questa affermazione è circolata online ma è semplicemente sbagliata. Ciò che JWST ha fatto è mettere in discussione i dettagli specifici di modelli di formazione delle galassie nel quadro del Big Bang. Il Big Bang stesso è supportato da:
- Il fondo cosmico a microonde: il previsto bagliore termico del caldo universo primordiale
- Nucleosintesi del Big Bang: le abbondanze previste di idrogeno, elio e litio corrispondono alle osservazioni
- L'espansione osservata dell'universo (relazione spostamento verso il rosso-distanza)
- Formazione di strutture su larga scala coerenti con l'inflazione + ΛCDM
Le scoperte inaspettate di JWST richiedono revisioni delle simulazioni di formazione delle galassie (efficienza della formazione stellare, semina dei buchi neri, modelli di feedback), non del Big Bang stesso. La scienza rivede i modelli alla luce di nuovi dati; questo non significa confutare una teoria, è il modo in cui le teorie migliorano.
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Domande frequenti
Cosa ha scoperto finora James Webb?
Le principali scoperte includono: galassie massicce estremamente precoci a z > 10, CO₂ e SO₂ nelle atmosfere degli esopianeti, immagini dettagliate di vivai stellari nella Nebulosa della Carina, una stella centrale binaria nella Nebulosa dell'Anello Meridionale e la conferma della tensione di Hubble.
Quanto indietro nel tempo riesce a vedere JWST?
Il record spettroscopico confermato è z ≈ 14,32, corrispondente a circa 290 milioni di anni dopo il Big Bang. L'universo ha 13,8 miliardi di anni, quindi JWST vede indietro il 97,9% della storia cosmica.
JWST troverà segni di vita?
In linea di principio può rilevare i gas biofirma nelle atmosfere degli esopianeti (O₂, CH₄, N₂O). Il sistema TRAPPIST-1 è l’obiettivo primario. Ogni singolo gas è ambiguo (può essere prodotto abioticamente), ma una combinazione coerente solo con la biologia costituirebbe una prova straordinaria.