L’Arco della Lince: un superammasso primordiale sotto la lente

di Michele Diodati

La casuale e fortunata scoperta di una lente gravitazionale in un ammasso di galassie lontano 5,4 miliardi di anni-luce permise di osservare l’immagine amplificata e distorta di un remotissimo oggetto, che si rivelò poi come il più grande, caldo e brillante generatore di mega-stelle di cui si sia mai avuta notizia.

Rappresentazione artistica di come sarebbe potuta apparire, vista da breve distanza, la galassia dell'Arco della Lince, distante 12 miliardi di anni-luce dalla Terra. (Cortesia: ESA/NASA/Robert A.E. Fosbury)

Il cosiddetto Arco della Lince era un milione di volte più brillante della ben nota, vicina Nebulosa di Orione. La scoperta di questo oggetto cosmico unico e intrigante giunse nel corso di una sistematica osservazione di lontani ammassi di galassie, eseguita al principio del nuovo millennio per mezzo di alcuni dei maggiori telescopi spaziali e terrestri, tra cui Hubble, ROSAT e Keck. La scoperta fu descritta in uno studio pubblicato il 20 ottobre 2003 su The Astrophysical Journal.

Il mega-ammasso stellare apparve come un misterioso arco rosso che faceva capolino dietro un ammasso di galassie chiamato RX J0848+4456, distante 5,4 miliardi di anni-luce, nella settentrionale costellazione della Lince. L’arco era l’immagine stirata e ingrandita di circa dieci volte, per effetto di una lente gravitazionale creata dalla massa delle galassie interposte, di un misterioso oggetto lontano più o meno 12 miliardi di anni-luce: questa, almeno, è la distanza che si ricava dal suo spostamento verso il rosso, pari a 3,357. Senza questo fortunato effetto ottico, e soprattutto senza la sua casuale scoperta, la sorgente luminosa finita sotto la lente sarebbe rimasta per sempre nascosta ai nostri occhi, seppellita nelle nebbie del tempo primordiale a cui appartenne: un’epoca in cui l’universo esisteva da meno di 2 miliardi di anni.

I ricercatori che studiavano l’ammasso di galassie in cui l’arco era apparso si resero conto ben presto, analizzando lo spettro luminoso dell’insolito oggetto, che non aveva nulla in comune con le galassie circostanti. Compresero invece che la firma spettrale dell’Arco della Lince era in qualche modo collegata alla Nebulosa di Orione, la regione di formazione stellare a noi più vicina. Tuttavia, mentre la Nebulosa di Orione è alimentata da sole quattro stelle blu, calde e brillanti, l’Arco della Lince, se i calcoli erano corretti, doveva contenere almeno un milione di stelle di classe spettrale O, le più calde e brillanti che si conoscano.

Il gruppo di ricerca, guidato da Robert A.E. Fosbury, dell’Agenzia Spaziale Europea, si era imbattuto casualmente in quella che appariva come la più brillante e furiosa regione di formazione stellare mai scoperta. Si trattava probabilmente di una galassia nana, colta in una condizione di esplosiva formazione stellare, costituita da nubi di idrogeno ionizzato ad altissima temperatura, alimentate dall’effetto combinato della radiazione ultravioletta e dei venti stellari di una compatta e numerosa popolazione di stelle luminosissime, incredibilmente massicce e calde. Le analisi spettroscopiche indicavano che la temperatura superficiale media delle stelle dell’Arco della Lince doveva essere intorno a 80 mila Kelvin: circa il doppio delle stelle più calde della Nebulosa di Orione.

Inoltre la sorprendente abbondanza di silicio ionizzato, trovata nelle analisi spettrali, sembrava suggerire che la lontana galassia fosse stata il teatro dell’esplosione di una serie di supernovae da instabilità di coppia. Sono queste le più potenti e distruttive di tutte le esplosioni di supernova. Si pensa che fossero comuni nell’universo primordiale, quando la quasi totale mancanza di elementi più pesanti dell’elio consentiva – così ritiene la teoria più accreditata – la formazione di stelle molto più massicce delle attuali. Simili superstelle, con masse comprese tra 140 e 260 masse solari e temperature superficiali fino a 120 mila Kelvin, raggiunsero rapidamente la fine della loro breve vita, disintegrandosi completamente in esplosioni di inimmaginabile potenza. La disintegrazione era il passo finale di una reazione a catena inarrestabile, messa in moto dalla produzione di coppie di elettroni e positroni da parte di fotoni altamente energetici: un fenomeno che può verificarsi solo in stelle di grandissima massa. A ciò seguiva la caduta improvvisa della pressione da radiazione, il conseguente collasso gravitazionale del nucleo e l’innesco di reazioni termonucleari violentissime, che disintegravano la stella, disseminando lo spazio interstellare di elementi pesanti, tra cui appunto il silicio trovato nello spettro luminoso dell’Arco della Lince.

Tutto ciò sembra confermare quello che è più di un sospetto: i primi miliardi di anni trascorsi dopo il Big Bang devono essere stati un’epoca di grandiosi spettacoli cosmici. Ma così violenti, frequenti e distruttivi che è davvero difficile immaginare che abbiano lasciato tempo sufficiente perché una qualsiasi forma di vita, meno che mai intelligente, evolvesse per poterli osservare. In quell’universo fatto quasi esclusivamente di idrogeno ed elio mancava ancora, del resto, la materia prima di cui sono composti gli esseri viventi.

Insomma, l’Arco della Lince fu certamente la sede di grandiosi spettacoli cosmici, ma furono spettacoli senza spettatori. Eppure furono proprio quelle supernovae da instabilità di coppia, che avrebbero spazzato via qualunque pubblico di viventi, a disseminare inizialmente nell’universo gli elementi pesanti necessari per creare, miliardi di anni dopo, almeno un pubblico di spettatori: noi Terrestri.

Una regione di 2,5 gradi di lato centrata sull'Arco della Lince. Il rettangolo evidenzia la zona mostrata in maggior dettaglio nell'immagine seguente. (Cortesia: ESA/NASA/Robert A.E. Fosbury/Digitized Sky Survey 2)

Una regione di 0,09 x 0,07 gradi, ottenuta combinando sei osservazioni dal blu all'infrarosso eseguite con il telescopio Mayall da 4 metri dell'Osservatorio di Kitt Peak in Arizona. Il rettangolo evidenzia l'area contenente l'ammasso di galassie in cui apparve l'Arco della Lince. (Cortesia: National Optical Astronomy Observatory)

Immagine acquisita con la Wide Field Planetary Camera 2 del telescopio spaziale Hubble. Sono visibili l'ammasso di galassie RX J0848+4456 e l'Arco della Lince, che è l'oggetto rossastro allungato, contenente due punti luminosi, situato sul lato destro dell'immagine. /Cortesia: ESA/NASA/Robert A.E. Fosbury/NOAO)

Un'area estesa 30 secondi d'arco ritagliata dall'immagine prodotta da Hubble. Gli oggetti evidenziati con le lettere A e B sono le parti più luminose della lente gravitazionale dell'Arco della Lince. C e D sono elementi meno luminosi generati dallo stesso effetto. Come anche probabilmente il punto T, nonostante appaia in tutt'altra posizione. (Cortesia: R. A. E. Fosbury et al., 2003 ApJ 596 797, doi:10.1086/378228)

Riferimenti

HubbleSite – NewsCenter – Megastar-Birth Cluster is Biggest, Brightest and Hottest Ever Seen (10/30/2003) – Introduction
A mysterious arc of light found behind a distant cluster of galaxies has turned out to be the biggest, brightest, and hottest star-forming region ever seen in space. The so-called Lynx arc is 1 (…)

BIGGEST, BRIGHTEST, HOTTEST STAR-FORMING REGION FOUND | W. M. Keck Observatory
October 30, 2003 MAUNA KEA, Hawaii (October 30th, 2003) A serendipitous discovery has given astronomers, for the first time, the ability to study an enormous star-forming region from the very early (…)

Massive Star Formation in a Gravitationally Lensed H II Galaxy at z = 3.357 – Abstract – The Astrophysical Journal – IOPscience
The Lynx arc, with a redshift of 3.357, was discovered during spectroscopic follow-up of the z = 0.570 cluster RX J0848+4456 from the ROSAT Deep Cluster Survey. The arc is characterized by a very (…)

Redshift – Wikipedia, the free encyclopedia
In physics (especially astrophysics), redshift happens when light seen coming from an object that is moving away is proportionally increased in wavelength, or shifted to the red end of the spectrum

Gravitational lens – Wikipedia, the free encyclopedia
A gravitational lens refers to a distribution of matter (such as a cluster of galaxies) between a distant source (a background galaxy) and an observer, that is capable of bending (lensing) the light