Carbonio, ossigeno e silicio erano già stati prodotti dalle prime generazioni di stelle e dispersi nello spazio quando l’Universo aveva appena qualche centinaio di milioni di anni. La scoperta del James Webb Space Telescope cambia l’immagine dell’alba cosmica e potrebbe spiegare perché le primissime stelle dell’Universo siano così difficili da trovare.
L’Universo primordiale potrebbe essere stato molto meno “puro” di quanto immaginassimo. Appena 500-700 milioni di anni dopo il Big Bang, alcune delle prime galassie avevano già prodotto elementi relativamente pesanti come carbonio, ossigeno e silicio e, soprattutto, avevano iniziato a espellerli nello spazio circostante.
È quanto emerge dalle osservazioni effettuate con il James Webb Space Telescope (JWST) e analizzate da un gruppo internazionale guidato da Yongda Zhu dell’Università dell’Arizona. Lo studio, pubblicato il 24 settembre 2026 su Nature Astronomy, fornisce alcune delle prime prove dirette del fatto che il cosiddetto ciclo barionico, cioè lo scambio di materia tra le galassie e l’ambiente che le circonda, fosse già attivo nelle primissime epoche della storia cosmica.
Un Universo nato quasi senza metalli
Subito dopo il Big Bang, l’Universo era composto quasi interamente da idrogeno ed elio, con piccolissime quantità di altri elementi leggeri. Carbonio, ossigeno, silicio, ferro e gli altri elementi più pesanti non esistevano ancora in quantità significative. Per produrli furono necessarie le stelle.
All’interno delle stelle, infatti, le reazioni nucleari trasformano progressivamente gli elementi più semplici in nuclei più complessi. Quando le stelle più massicce terminano la loro vita, soprattutto attraverso esplosioni di supernova, parte di questo materiale viene restituito allo spazio.
È un processo fondamentale nella storia del cosmo: il carbonio presente negli organismi viventi, l’ossigeno che respiriamo e molti degli elementi che compongono la Terra sono stati prodotti all’interno di generazioni di stelle vissute e morte miliardi di anni prima della nascita del Sistema solare. La domanda era però: quanto rapidamente iniziò questo processo?
Le nuove osservazioni del Webb suggeriscono una risposta sorprendente: quasi immediatamente, almeno su scala cosmica.
Tre galassie osservate oltre 13 miliardi di anni nel passato
Gli astronomi hanno studiato tre galassie estremamente remote, osservate quando l’Universo aveva soltanto poche centinaia di milioni di anni. I loro redshift sono compresi tra circa 7,3 e 9,3: significa che la luce rilevata oggi dal telescopio Webb ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni prima di raggiungerci.
Grazie allo spettrografo NIRSpec, JWST ha permesso di analizzare la luce proveniente dalle stelle di queste galassie dopo che questa aveva attraversato il gas presente intorno a esse.
Gli elementi chimici assorbono infatti la luce a lunghezze d’onda ben precise, lasciando nello spettro una sorta di impronta digitale. Ed è proprio in queste impronte che i ricercatori hanno identificato la presenza di ossigeno, carbonio e silicio in differenti stati di ionizzazione. Ancora più interessante è stato il movimento del gas.
Le righe di assorbimento risultavano spostate verso il blu rispetto alla velocità delle galassie, con differenze dell’ordine di 50-250 chilometri al secondo. È un segnale compatibile con materiale che si sta muovendo verso l’esterno delle galassie, probabilmente spinto dall’intensa attività delle giovani stelle, dalle esplosioni di supernova e dai processi di feedback galattico.
In altre parole, le prime galassie non si limitavano a fabbricare nuovi elementi: li stavano già distribuendo nel cosmo.
Le galassie come “seminatrici” dell’Universo
L’immagine che emerge è quella di un Universo primordiale sorprendentemente dinamico.
Le galassie non sono sistemi chiusi. Assorbono gas dall’ambiente circostante, lo trasformano in stelle e successivamente restituiscono parte del materiale allo spazio attraverso venti galattici ed esplosioni stellari. Una parte del gas può poi ricadere nella stessa galassia, mentre un’altra può raggiungere regioni più lontane e contribuire alla formazione di nuovi sistemi. Questo continuo scambio di materia prende il nome di baryon cycling, o ciclo barionico.
Il nuovo studio mostra che gli ingredienti fondamentali di questo meccanismo erano già presenti durante l’epoca della reionizzazione, quando le prime stelle e galassie stavano modificando profondamente il gas intergalattico e ponendo fine alle cosiddette “età oscure” cosmiche. E la rapidità con cui tutto ciò è avvenuto sorprende gli astronomi.
Il mistero delle prime stelle
La scoperta potrebbe inoltre contribuire a spiegare uno dei grandi problemi dell’astronomia moderna: perché non abbiamo ancora identificato con certezza le stelle di Popolazione III, le ipotetiche primissime stelle dell’Universo. Secondo i modelli, queste stelle avrebbero dovuto formarsi esclusivamente con il materiale disponibile dopo il Big Bang, quindi quasi soltanto idrogeno ed elio.
Ma una volta che le prime generazioni stellari iniziarono a produrre e disperdere carbonio, ossigeno e altri elementi, il gas cosmico cessò rapidamente di essere chimicamente incontaminato.
Se l’arricchimento chimico fosse avvenuto già entro poche centinaia di milioni di anni dal Big Bang, come suggeriscono le osservazioni del Webb, la finestra temporale durante la quale poterono esistere stelle completamente prive di elementi pesanti potrebbe essere stata estremamente breve.
Una storia cosmica molto più veloce del previsto
Il risultato non significa che tutto l’Universo fosse già uniformemente ricco di elementi pesanti. Gli stessi ricercatori sottolineano che l’arricchimento chimico delle prime epoche doveva essere fortemente disomogeneo: accanto a regioni già contaminate dalle prime stelle potevano continuare a esistere vaste zone costituite da gas quasi primordiale.
Ma la scoperta aggiunge un nuovo tassello al quadro che il James Webb sta costruendo dell’Universo giovane. Galassie massicce, intensa formazione stellare, rapida evoluzione chimica e potenti movimenti di gas sembrano essere comparsi molto presto.
Soltanto poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, il cosmo aveva quindi già avviato quel gigantesco processo di riciclo della materia che, miliardi di anni più tardi, avrebbe reso possibile la formazione di pianeti rocciosi e della complessa chimica alla base della vita.
Gli atomi di carbonio e ossigeno che oggi fanno parte di noi appartengono a una storia iniziata quando l’Universo era ancora quasi appena nato.
Stefano Camilloni
