Garth Illingworth, uno dei “padri” del James Webb, parla delle prime galassie

Abbiamo incontrato Garth D. Illingworth, professore di Astrofisica presso l’Università della California di Santa Cruz. Garth è stato il leader dei primi lavori sul Next Generation Space Telescope (NGST), che ora è noto come il James Webb Space Telescope (JWST). Ha organizzato anche la prima conferenza scientifica sul telescopio James Webb nel 1989 (in quegli anni il progetto si chiamava Next Generation Space Telescope).

Il telescopio spaziale James Webb di NASA, ESA (Agenzia Spaziale Europea) e CSA (Agenzia Spaziale Canadese), entrato in attività nell’estate 2022, è il telescopio spaziale più grande e più potente della storia: possiede uno specchio primario di 6,5 metri di diametro, ed è situato nel punto di Lagrange L2 a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra. Inoltre, il James Webb è un telescopio agli infrarossi, e questa caratteristica lo rende capace di scovare sorgenti molto lontane. Infatti, la luce di queste sorgenti lontanissime, inizialmente emesse nell’ottico, giungono fino a noi “spostate verso il rosso”, cioè a lunghezze d’onda infrarosse a causa dell’espansione dell’Universo (l’Universo si espande mentre il segnale luminoso viaggia). Per questo motivo le sorgenti luminose molto distanti, non possono essere osservate con i telescopi ottici.

Durante la tua carriera hai avuto la fortuna di studiare le galassie più “vicine” a noi e, successivamente, hai viaggiato indietro nel tempo osservando le galassie più lontane dell’Universo. Come cambiano le galassie nel tempo?

Le galassie sono come i bambini: crescono notevolmente dalla nascita alla maturità. Quando le galassie si sono formate per la prima volta 13 miliardi di anni fa, o più, erano piccoli ammassi caotici di stelle e gas caldo. Quelle che vediamo nelle immagini del James Webb, sono 20-100 volte più piccole della Via Lattea di oggi (la Via Lattea è la nostra galassia). I “secoli bui”, quando non c’erano ancora le stelle, finirono quando la materia oscura e il gas che stava collassando raggiunsero un punto in cui potevano formarsi le prime stelle. Le minuscole galassie infantili blu crebbero quindi raccogliendo gas in caduta, che si schiantava contro il gas già presente nella galassia, creando così nuove stelle. Le galassie crescono anche scontrandosi con i loro vicini, fondendosi in una galassia più grande e creando un sacco di nuove stelle luminose. Dopo circa 200-300 milioni di anni dal Big Bang, le galassie infantili diventarono abbastanza luminose da poter essere viste – guardando indietro nel tempo – dal Telescopio James Webb.

Se confrontassimo le galassie osservate 350/400 milioni di anni dopo il Big Bang, con le galassie come la nostra, che differenze troveremmo?

Di seguito riporto un’immagine di come apparivano queste galassie all’epoca (quelle macchie blu scattate dal telescopio Hubble). Il James Webb rivelerà ovviamente più dettagli, ma il carattere blu caotico è ciò che ci aspettiamo da galassie molto giovani vicine all’inizio del tempo. Queste piccole macchie blu caotiche rappresentano delle galassie, probabilmente in tempi molto remoti. L’Universo ha 13,8 miliardi di anni e stiamo già guardando indietro di 13,4 miliardi di anni.

Le galassie vanno da quelle a spirale come Andromeda (e come la nostra stessa Via Lattea) a quelle ellittiche. Ci sono inoltre molte galassie più piccole che sono anche caotiche, ma differiscono da quelle sopra menzionate in quanto di solito sono polverose e mostrano meno stelle in formazione. Le galassie hanno oggi molti elementi più pesanti, che erano invece molto rari nelle galassie dell’Universo primordiale.

Ho letto che sei stato il leader dei primi lavori sul telescopio spaziale James Webb. Quali sono state le principali difficoltà incontrate durante la nascita del progetto James Webb Space Telescope?

Sì, ho svolto un ruolo di primo piano all’inizio con i primi concetti del JWST (James Webb Space Telescope): a quei tempi l’attuale telescopio James Webb lo chiamavamo “Next Generation Space Telescope” (o NGST in breve). È stato un piccolo team che ha contribuito a sviluppare il concetto, e sono rimasto molto colpito dal modo in cui ha catturato l’immaginazione di così tanti straordinari ingegneri, scienziati e manager/leader, in così poco tempo. Eppure ci è voluto molto lavoro, poiché abbiamo iniziato a idearlo prima del lancio del telescopio spaziale Hubble (il lancio di Hubble è avvenuto nel 1990). Abbiamo dovuto convincere i principali leader della NASA ad aiutarci a portare avanti il ​​concetto, e abbiamo dovuto lavorare per convincere i nostri colleghi che ciò che stavamo proponendo era effettivamente una buona idea, fattibile con la tecnologia che sarebbe arrivata in futuro. Vedere i concetti del NGST svilupparsi negli anni ’80 e ’90 è stata un’esperienza incredibile.

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Osservando le prime galassie nate dopo il Big Bang, e le varie galassie a noi più vicine, possiamo riuscire a capire la forma dell’Universo? Possiamo saperne di più sulla materia oscura e l’energia oscura, anche grazie al potente telescopio James Webb?

Webb ci aiuterà sicuramente a perfezionare la forma dell’Universo e l’effetto che l’energia oscura ha sull’Universo, oltre a darci maggiori informazioni su come la materia oscura influenza la natura delle galassie. Quindi, mi aspetto pienamente che Webb riveli di più sull’effetto della materia oscura e dell’energia oscura.

Le osservazioni di ammassi giganti di galassie, come quello mostrato nelle immagini ERO del 12 luglio (SMACS 0723), ci aiuteranno sicuramente a mappare la materia oscura e ci diranno di più su come influisce sugli oggetti che vediamo. Comprenderemo ciò che fa e anche le sue proprietà, ma alla fine, dovremo effettivamente rilevare alcune “particelle” di materia oscura con degli esperimenti, per comprendere appieno cos’è la materia oscura.

È lo stesso con l’energia oscura. Webb ci aiuterà a capire di più su come l’energia oscura influenzi l’Universo, il tasso di accelerazione dell’Universo e l’effetto che ha su di esso. Ma non mi aspetto che Webb ci riveli cos’è l’energia oscura!

Pensi che il prossimo grande telescopio spaziale sarà il LUVOIR? Secondo te cosa potrebbe riuscire a vedere un telescopio come il LUVOIR?

È molto probabile che realizzeremo il LUVOIR. La NASA ora lo chiama “Habitable Worlds Observatory“. Attualmente siamo nelle primissime fasi del suo sviluppo, e siamo concentrati principalmente sulle tecnologie necessarie. Speriamo che possa essere sviluppato, costruito, testato e fatto volare in circa 15-20 anni. LUVOIR (o HWO) sarà un telescopio con un diametro maggiore di 6 metri, e il suo obiettivo principale sarà osservare direttamente i pianeti simili alla Terra, rivelando le caratteristiche delle loro atmosfere attraverso immagini e spettri molto più dettagliati. L’obiettivo principale è la ricerca di eventuali segni di vita. HWO sarà anche un “super-Hubble” in grado di fare molte altre scoperte, superiori a quelle che ci ha regalato Hubble, dal momento che HWO avrà uno specchio più grande – molto simile a Webb in termini di dimensioni.

C’è un altro telescopio spaziale in costruzione, WFIRST – ora chiamato Roman, che verrà lanciato entro la fine di questo decennio. Questo è un telescopio delle dimensioni di Hubble (specchio di 2,4 m).

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Quello che mi affascina di più dell’Universo è il tempo. È strano pensare che la luce possa essere eterna, perché secondo la Teoria della Relatività Ristretta di Albert Einstein, il tempo si ferma se la velocità è di 300.000 km al secondo. Confrontare la nostra breve vita con l’età delle galassie, che può essere di miliardi di anni, fa riflettere. Come cambia la vita di un astronomo quando studia il tempo dell’Universo?

Sì, c’è molto mistero e bellezza nei concetti di tempo, viaggio della luce e gravità, rivelati dalle Teorie della Relatività Ristretta e Generale di Einstein. La durata della vita umana è davvero infinitesimale nel contesto dell’età dell’Universo (anche nel contesto dell’età della Terra e del Sole). Il periodo in cui l’Homo Sapiens è esistito e ha governato il pianeta è assolutamente infinitesimale, sebbene certamente non irrilevante, considerando i cambiamenti e i danni che abbiamo causato!

Per me, l’immensità e la complessità dell’Universo mi lascia in soggezione, guardando ciò che alcune forze e costituenti dell’Universo (barioni, materia oscura, energia oscura) possono annunciare quando il loro mix si evolve in un Universo infinito. E anche che noi, come semplice specie di breve durata su un pianeta che orbita attorno ad una delle miliardi di stelle presenti in una delle miliardi di galassie del Cosmo, siamo arrivati ​​così lontano nel descrivere e comprendere l’Universo che abitiamo fugacemente.

• Cover image credits: www.ucolick.org/~gdi/ (immagine centrale) / NASA, ESA, CSA, STScI (immagine a destra)