Le prime immagini di James Webb Space Telescope

Le prime immagini di James Webb fanno intravedere l'Universo con una definizione mai vista prima
L’immagine di un particolare della Nebulosa Carina NGC 3324. E’ possibile notare grazie all’enorme defizione dell’immagine, una miriade di stelle in formazione in questa nursery stellare. Credit: NASA

La NASA due giorni fa, aveva dichiarato i primi 5 bersagli del nuovo telescopio spaziale. Le prime immagini del James Webb Space Telescope non hanno di certo deluso le aspettative ed hanno mostrato al mondo intero la bellezza dell’Universo che ci circonda come non avevamo mai potuto osservare prima. Un cosmo, che grazie a questo fantastico strumento, ci appare più chiaro e nitido. Il nuovo telescopio spaziale, ci permetterà di seguire in diretta molti avvenimenti sin ora ipotizzati o di cui abbiamo intravisto davvero poco.

Dopo l’anteprima mondiale dalla Casa Bianca con tanto d’introduzione del presidente americano Joe Biden, oggi la NASA ed i partener europei (ESA) e canadesi (CSA) orgogliosi, hanno mostrato le altre 4 restanti foto ed un’analisi dello spettro di trasmissione di un esopianeta. In pratica questa prima serie di dati hanno il compito di far capire al mondo ed alla comunità scientifica le potenzialità degli strumenti di James Webb e quanto cambieranno la nostra conoscenza e comprensione dei fenomeni che accadono nel cosmo.

Deep Field dell’ammasso SMACS 0723

La prima immagine di James Webb è un Deep Field. Per quanto possa sembrare strano, la porzione di cosmo raccolta in questa immagine è paragonabile alla grandezza di un granello di sabbia posto ad 1m dai nostri occhi rispetto all'intera volta celeste. Al centro dell'immagine l'ammasso di galassie SMACS 0723 che genera la lente gravitazionale.
La prima immagine di James Webb è un Deep Field. Per quanto possa sembrare strano, la porzione di cosmo raccolta in questa immagine è paragonabile alla grandezza di un granello di sabbia posto ad 1m dai nostri occhi rispetto all’intera volta celeste. Al centro dell’immagine l’ammasso di galassie SMACS 0723 che genera la lente gravitazionale. Credit: NASA, ESA, CSA

Migliaia di galassie inondano questa immagine nel vicino infrarosso con l’ammasso di galassie SMACS 0723 in primo piano. Le prime immagini di James Webb ad alta risoluzione, combinato con un effetto naturale, noto come lente gravitazionale, ha reso possibile questa immagine molto dettagliata. La galassia ellittica bianca brillante al centro dell’immagine e le galassie bianche più piccole al centro, sono legate insieme dalla gravità in un ammasso di galassie. Questa enorme struttura cosmica, piega la luce delle galassie che sono fisicamente presenti dietro l’ammasso. La massa combinata delle galassie e della materia oscura agiscono come un enorme telescopio cosmico, creando immagini ingrandite, contorte e talvolta specchiate delle singole galassie.

Esempi chiari di rispecchiamento si trovano negli archi arancioni prominenti a sinistra e a destra della galassia a grappolo più luminosa (il centro dell’immagine). La foto di James Webb ha rivelato i loro nuclei luminosi, che sono pieni di stelle, insieme a ammassi di stelle arancioni lungo i bordi. Ma non tutte le galassie in questo campo sono specchiate, alcune sono allungate. Altre appaiono disperse dalle interazioni con altre galassie, lasciando dietro di loro scie di stelle.

Le galassie in questa scena non assomigliano per niente alle galassie a spirale ed ellittiche osservate nell’universo locale, sono molto più irregolari. Le immagini ad alta risoluzione di James Webb, possono aiutare i ricercatori a misurare l’età e le masse degli ammassi stellari all’interno di queste lontane galassie. Tutto questo porterà alla creazione di modelli più accurati della “primavera” cosmica, quando le galassie interagiscono attivamente tra loro e devono ancora svilupparsi in forme a spirali più grandi e complesse. Le prossime osservazioni di James Webb aiuteranno gli astronomi a capire meglio come si formano e crescono le galassie nell’universo primordiale.

Nebulosa Anello del Sud

Le due immagini della Nebulosa Anello del Sud, conosciuta anche come Ring Nebula NGC 3132. A sinistra è stata catturata nel vicino infrarosso con NIRcam. A destra è stata catturata dallo strumento MIRI che raccoglie dati nel medio infrarosso. Entrambe le viste si completano per dare maggiori informazioni sulla struttura della nebulosa.
Le due immagini della Nebulosa Anello del Sud, conosciuta anche come Ring Nebula NGC 3132. A sinistra è stata catturata nel vicino infrarosso con NIRcam. A destra è stata catturata dallo strumento MIRI che raccoglie dati nel medio infrarosso. Entrambe le viste si completano per dare maggiori informazioni sulla struttura della nebulosa. Credit: NASA, ESA, CSA

La doppia immagine in alto mostra le osservazioni della Nebulosa planetaria Anello del Sud (NGC 3132) sia con lo strumento NIRcam (Near-Infrared Camera) nel vicino infrarosso a sinistra, che nel medio infrarosso a destra con lo strumento Mid-Infrared Instrument (MIRI). La scena è stata creata da una stella a fine ciclo vitale, dopo la perdita degli strati esterni e l’interruzione della fusione nucleare. Quei strati esterni che ora formano le increspature che si vedono in foto, sono la conseguenza della morte di una stella.

Nell’immagine della NIRCam, la nana bianca quasi invisibile è subito in basso a sinistra rispetto alla stella centrale, nascosta dal picco di diffrazione. La stessa stella invece appare nell’immagine di MIRI. La stella più luminosa in entrambe le immagini è ancora nella sequenza principale (fase centrale della vita di una stella) ed orbita vicino alla nana bianca più debole, aiutandola a distribuire il materiale espulso in seguito all’esplosione.

Nel corso di migliaia di anni e prima che diventasse una nana bianca, la stella ha periodicamente espulso massa. I gusci visibili di materiale (in colore arancione) sono il risultato di questa espulsione. Il materiale stellare è stato scagliato in tutte le direzioni, ed ha generato questo paesaggio asimmetrico. Oggi, le radiazioni della nana bianca stanno surriscaldando il gas nelle regioni interne, che appaiono blu nella foto a sinistra e rosse in quella a destra. Entrambe le stelle stanno illuminando le regioni esterne, mostrate rispettivamente in arancione e blu.

L'immagine più dettagliata della nebulosa planetaria NGC 3132 chiamata Nebulosa Anello del Sud, catturata dal telescopio spaziale Hubble qualche anno fa. La differenza di risoluzione a favore del James Webb Space Telescope è a dir poco impressionante.
L’immagine più dettagliata della nebulosa planetaria NGC 3132 chiamata Nebulosa Anello del Sud, catturata dal telescopio spaziale Hubble qualche anno fa. La differenza di risoluzione a favore del James Webb Space Telescope è a dir poco impressionante. Credit: NASA

Le immagini sembrano molto diverse perché NIRCam e MIRI raccolgono diverse lunghezze d’onda della luce infrarossa. NIRCam osserva la luce nel vicino infrarosso, che è più vicina alle lunghezze d’onda visibili catturate dai nostri occhi. MIRI va più lontano nell’infrarosso, captando le lunghezze d’onda del medio infrarosso. Quindi mentre le stelle e la loro luce rubano più attenzione nell’immagine NIRCam, la polvere gioca un ruolo principale nell’immagine MIRI, in particolare la polvere che viene illuminata dalle stelle. Per comprendere l’enorme balzo in avanti nelle immagini catturate dal nuovo telescopio, riportiamo il medesimo oggetto catturato dal telescopio spaziale Hubble qui a destra. La definizione a favore di James Webb è quasi imbarazzante.

Il Quintetto di Stephan

Un’altra, tra le spettacolari immagini di James Webb, ritrae l’enorme mosaico del Quintetto di Stephan. Contiene oltre 150 milioni di pixel ed è composto da quasi 1.000 file immagine separati. Il raggruppamento visivo di cinque galassie è stato catturato dalla fotocamera a infrarossi vicini (NIRCam) e dallo strumento a infrarossi medi (MIRI). Con la sua visione a infrarossi e una risoluzione estremamente elevata, il telescopio mostra dettagli mai visti prima in questo gruppo di galassie. Ammassi scintillanti di milioni di giovani stelle e regioni stellari dove si formano nuove stelle completano l’immagine. Drammaticamente, lo strumento MIRI, ha catturato le onde d’urto mentre una delle galassie, la NGC 7318B, si schianta attraverso l’ammasso. 

Le cinque galassie del Quintetto di Stephan. Sono anche conosciute come Hickson Compact Group 92 (HCG 92).
Le cinque galassie del Quintetto di Stephan. Sono anche conosciute come Hickson Compact Group 92 (HCG 92). Credit: NASA, ESA, CSA

Sebbene sia chiamato un “quintetto”, solo quattro delle galassie sono veramente vicine tra loro e coinvolte in una danza cosmica. La quinta, chiamata NGC 7320 (quella più a sinistra) è in primo piano rispetto alle altre quattro. NGC 7320 risiede a 40 milioni di anni luce dalla Terra, mentre le altre quattro galassie (NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B e NGC 7319) distano circa 290 milioni di anni luce e sono in interazione gravitazionale tra loro.

Questa vicinanza fornisce agli astronomi un posto in prima fila per assistere alla fusione e alle interazioni tra le galassie che sono così cruciali per la loro evoluzione. Raramente gli scienziati vedono con così tanti dettagli, come le galassie interagenti innescano la formazione di stelle l’una nell’altra e come il gas in queste galassie viene disturbato. Il Quintetto di Stephan è un “laboratorio” speciale per studiare questi processi fondamentali.

Le Mystic Mountain della Nebulosa della Carena

Tra le prime immagini di James Webb, una che supera in bellezza tutte le altre. Quello che sembra molto simile a colline di sabbia scoscese in una sera illuminata dalla Luna sono in realtà il confine di una vicina, regione di formazione stellare NGC 3324 nella Nebulosa Carena. Catturata nella luce infrarossa dalla telecamera nel vicino infrarosso (NIRCam) l’ immagine di questo obbiettivo cosmico, rivela aree mai viste delle regioni di nuova formazione stellare.

L'immagine di un particolare della Nebulosa Carena NGC 3324. E' possibile notare grazie all'enorme definizione dell'immagine, una miriade di stelle in formazione in questa nursery stellare.
L’immagine di un particolare della Nebulosa Carena NGC 3324. E’ possibile notare grazie all’enorme definizione dell’immagine, una miriade di stelle in formazione in questa nursery stellare. Credit: NASA, ESA, CSA

La regione è in realtà il bordo di una gigantesca cavità gassosa all’interno di NGC 3324, a circa 7.600 anni luce di distanza dalla Terra. L’area cavernosa è stata scavata dall’intensa radiazione ultravioletta e dai venti stellari di giovani stelle estremamente massicce e calde, situate al centro della bolla, sopra l’area mostrata in questa immagine. La radiazione ad alta energia di queste stelle stanno scolpendo il bordo della nebulosa erodendolo lentamente.  

NIRCam, con la sua risoluzione nitida e la sua sensibilità senza precedenti, svela centinaia di stelle precedentemente nascoste e persino numerose galassie di sfondo. Questo periodo di formazione stellare molto precoce è difficile da catturare perché, per ogni singola stella, dura solo da 50.000 a 100.000 anni circa. L’estrema sensibilità e la squisita risoluzione spaziale di James Webb possono documentare questi eventi cosmici.

Atmosfera dell’esopianeta WASP-96b

Oltre alle prime immagini, James Webb presenta a bordo strumenti che permettono anche altre tipologie di analisi. Lo spettro di trasmissione ottenuto da una singola osservazione, utilizzando il Near-Infrared Imager e lo Slitless Spectrograph (NIRISS), rivela le caratteristiche atmosferiche dell’esopianeta gigante WASP-96b.  Lo spettro di trasmissione viene creato confrontando la luce stellare filtrata dall’atmosfera di un pianeta mentre si muove davanti la stella, con la luce stellare non filtrata. Ciascuno dei 141 punti su questo grafico rappresenta la quantità di una specifica lunghezza d’onda della luce che è bloccata dal pianeta e assorbita dalla sua atmosfera. 

Lo spettro di trasmissione dell'esopianeta WASP-96b analizzato dallo struimento NIRISS del telescopio James Webb.
Lo spettro di trasmissione dell’esopianeta WASP-96b analizzato dallo struimento NIRISS del telescopio James Webb. Credit. NASA, ESA, CSA

Le lunghezze d’onda, qui rilevate da NIRISS, vanno da 0,6 micron (rosso) a 2,8 micron (nel vicino infrarosso). In questo modo i ricercatori sono in grado di rilevare e misurare le abbondanze di gas chiave nell’atmosfera di un pianeta in base al modello di assorbimento. Inoltre la temperatura dell’atmosfera del pianeta, può essere calcolata in base all’altezza dei picchi: un pianeta più caldo presenta picchi più alti. Altre caratteristiche, come la presenza di foschia e nuvole, possono essere dedotte in base alla forma complessiva delle diverse porzioni dello spettro.  

La linea blu nel grafico è il modello medio che tiene conto sia dei nuovi dati acquisiti che delle proprietà note di WASP-96b, della sua stella (ad esempio, dimensioni, massa, temperatura) e delle caratteristiche presunte dell’atmosfera. I ricercatori possono variare i parametri nel modello, per ottenere un adattamento migliore e comprendere ulteriormente come si presenta veramente l’atmosfera del pianeta.  Sebbene l’analisi completa dello spettro richieda più tempo, è possibile trarre una serie di conclusioni preliminari. 

I picchi etichettati nello spettro indicano la presenza di vapore acqueo (H2O). L’altezza dei picchi d’acqua, che è inferiore al previsto in base alle osservazioni precedenti, è la prova della presenza di nubi. La graduale pendenza verso il basso del lato sinistro dello spettro (lunghezze d’onda più corte) è indicativa di una possibile foschia. L’altezza dei picchi insieme ad altre caratteristiche dello spettro permette di calcolare una temperatura atmosferica di circa 725°C. 

In pratica siamo al cospetto dello spettro di trasmissione di un esopianeta più dettagliato mai raccolto. Inoltre è il primo spettro di trasmissione che include lunghezze d’onda superiori a 1,6 micron con una risoluzione e una precisione molto elevate. Allo stesso tempo è il primo spettro a coprire l’intero intervallo di lunghezze d’onda da 0,6 micron (luce rossa visibile) a 2,8 micron (vicino infrarosso) in un solo colpo. La velocità con cui i ricercatori sono stati in grado di fornire interpretazioni sicure dello spettro è un’ulteriore testimonianza della qualità dei dati rilevati da James Webb. 

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