Quando guardiamo un’immagine "deep field" (1) del James Webb Space Telescope (JWST) non stiamo semplicemente ammirando una fotografia spettacolare, stiamo osservando un esperimento cosmologico a cielo aperto.
Ogni volta che viene ingrandito un frammento minuscolo della volta celeste - grande quanto un granello di sabbia visto a braccio teso - vediamo comparire migliaia di galassie. Osservando le foto "deep field" raccolte da questo eccezionale strumento ci si rende conto che quasi nessun punto luminoso (di quelli più deboli) che vi compare sia una stella: ognuno di essi è infatti una galassia, un’isola cosmica, molto spesso vista com’era quando l’Universo aveva poche centinaia di milioni di anni.
Ed è qui che la storia si fa interessante: JWST non è soltanto in grado di "guardare più lontano” rispetto al suo predecessore, l'Hubble Space Telescope (2), ma rende oggi osservabile un regime fisico che prima era invisibile. La differenza chiave tra i due strumenti non sta infatti solo nella dimensione degli specchi, quanto piuttosto nella capacità di intercettare una diversa lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica. Le prime galassie emettevano una frazione significativa della propria luce nell’ultravioletto: durante i successivi miliardi di anni l’espansione cosmica ha poi stirato la loro luce fino all’infrarosso.
Hubble - ottimizzato per il visibile - intercetta solo le galassie più luminose ad alto redshift (3) o quelle relativamente più vicine, mentre JWST è stato progettato specificatamente per esplorare l’infrarosso: è come aver cambiato frequenza radio su un canale finalmente libero dal rumore. Risultato, le galassie a redshift altissimo (cioè con z > 8, 10, e forse oltre) emergono chiaramente.
Nelle immagini che riceviamo esse non appaiono soltanto come semplici macchie ma possiamo identificarne la struttura: nuclei compatti, dischi, irregolarità che suggeriscono interazioni. Tutto questo in un’epoca in cui, secondo le aspettative più conservative, l’Universo avrebbe dovuto essere ancora un cantiere caotico.
Proprio da qui nasce la tensione con la cosmologia tradizionale: JWST ha rilevato la presenza di galassie sorprendentemente massicce e luminose quando il cosmo aveva 200–400 milioni di anni, e dunque in quel periodo (forse anche prima) dovevano esser già presenti le condizioni che ne permettono la formazione; un accrescimento rapido di gas, un processo di formazione stellare estremamente efficiente ed un feedback (supernove, buchi neri) meno distruttivo del previsto.
Nessun singolo dato raccolto sinora “rompe” il modello cosmologico standard, ma l’insieme delle osservazioni suggerisce che qualcosa "stia lavorando" a favore della crescita precoce delle strutture. Ed è proprio qui che il deep field smette di essere soltanto astronomia osservativa e diventa cosmologia fondamentale: non solo immagini ma storia dell’Universo. I deep field storici di Hubble erano soprattutto censimenti: quanti oggetti esistono, come sono distribuiti, fino a dove arriva l’Universo osservabile. JWST fa un passo oltre: grazie alla spettroscopia misura età, masse, metallicità e tassi di formazione stellare ("ricostruisce la biografia delle galassie"). Finora JWST non ha ancora realizzato il suo vero “deepest deep field”: un’immagine ottenibile con settimane o addirittura mesi di esposizione sulla stessa regione di cielo, spingendo ogni strumento al limite. (4)
Storicamente anche l’Hubble Xtreme Deep Field arrivò anni dopo il lancio in orbita del telescopio, ma quando accadrà con JWST entreremo direttamente nella transizione tra le età oscure cosmiche e la reionizzazione. La reionizzazione è il momento in cui la luce delle prime stelle e galassie ha reso l’Universo trasparente, e capire chi l’ha causata è cruciale: poche galassie grandi e molto efficienti oppure miriadi di galassie minuscole e debolissime?
Un deep field estremo potrebbe distinguere questi scenari osservando la funzione di luminosità a redshift elevatissimo, ed è qui che le osservazioni diventano un test diretto delle condizioni iniziali del cosmo. L’inflazione cosmica, la fase di espansione rapidissima avvenuta nei primissimi istanti di vita dell'Universo, stabilisce lo “scheletro” su cui crescono tutte le strutture: le fluttuazioni di densità generate allora diventano, miliardi di anni dopo, galassie e ammassi. Il modello d'inflazione più semplice prevede uno spettro quasi scale-invariant (cioè fluttuazioni simili a tutte le scale) che funziona benissimo per spiegare il fondo cosmico a microonde (CMB) la cui miglior mappa di cui disponiamo è stata disegnata dal satellite PLANCK . Ma JWST ha rilevato un’abbondanza di strutture precoci - cosa che suggerisce una potenza maggiore su piccola scala - difficilmente accomodabile nel quadro dell’inflazione più semplice senza ipotesi aggiuntive, e qui entrano pertanto in gioco modelli con inflazione multipla oppure con feature nel potenziale inflazionario. (5) Già dagli anni ’90 si era capito che potenziali realistici per i campi inflazionari potrebbero esser complessi. Possono esistere infatti double inflation con due fasi distinte, inflazioni con gradini o cambi di pendenza, brevi mini-inflazioni successive a quella principale o catene inflazionarie in contesti di landscape teorici.
Tutti questi scenari producono deviazioni localizzate nello spettro delle perturbazioni, aumentando la varianza su piccola scala senza distruggere l’accordo con la mappa del fondo cosmico a microonde (CMB).
In passato sembravano modelli "barocchi", inutilmente complessi, mentre oggi le osservazioni condotte dal JWST - che assume in questo contesto la funzione di selettore di modelli - li rende improvvisamente naturali. È importante specificare ancora una volta che JWST non sta affatto confutando il meccanismo dell’inflazione, indispensabile per spiegare l'attuale assetto dell'Universo - quanto piuttosto selezionando quali versioni dell’inflazione siano compatibili con un Universo che è cresciuto in fretta.
Se, come si ipotizza ora, le condizioni iniziali erano leggermente più favorevoli su piccola scala, la formazione precoce di galassie massicce diventa molto meno problematica.
La cosmologia resta sobria, ma l’Universo primordiale smette di essere semplice come lo si pensava sino a qualche anno fa. C’è un aspetto quasi filosofico in tutto questo: stiamo usando galassie osservate centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang per testare teorie nate per descrivere frazioni infinitesimali di secondo dopo l’inizio del tempo.
I deep field JWST non sono quindi solo fotografie: sono esperimenti che collegano la fisica delle altissime energie alla luce più debole del cielo notturno. Se Hubble ci ha insegnato quanto è grande l’Universo, JWST ci sta costringendo a chiederci quanto rapidamente sia diventato ciò che oggi è. Per decenni la cosmologia ha vissuto in una zona sorprendentemente confortevole: pochi parametri, un modello elegante ed osservazioni che sembravano allinearsi ad esso con una precisione quasi sospetta.
JWST sta cambiando questo equilibrio non perché stia distruggendo il quadro teorico ma perché lo sta costringendo a lavorare davvero.
Un Universo che forma galassie grandi troppo presto non è un errore sperimentale da correggere in fretta, ma una richiesta di spiegazione più profonda.
Significa che le condizioni iniziali potrebbero essere state meno banali, che l’inflazione potrebbe non essere stata un singolo atto silenzioso, che la semplicità che amiamo potrebbe essere solo un’approssimazione tardiva. I deep field del James Webb non ci stanno infatti dicendo che abbiamo sbagliato tutto, ma qualcosa di più scomodo: "abbiamo capito abbastanza da accorgerci dei limiti delle nostre storie più eleganti".
Ed è sempre a questo punto che la cosmologia fa il suo vero mestiere: smette di rassicurare e ricomincia ad interrogare l’Universo. ... e quando l’Universo risponde troppo presto, troppo in fretta e troppo bene, è la teoria che deve imparare ad ascoltare.
Note:
(1) Il termine deep field in astronomia nasce negli anni ’90 in un contesto osservativo in relazione alle prime campagne di osservazione profonda condotte con l’Hubble Space Telescope dopo la correzione della sua ottica primaria.
Non ha dunque un’origine teorica formale né una definizione rigidamente codificata, ma emerge come descrizione operativa di una specifica strategia osservativa: l’acquisizione di esposizioni eccezionalmente lunghe su un campo di vista molto ristretto, selezionato per l’assenza di sorgenti brillanti in primo piano.
Il primo suo uso sistematico è associato all’Hubble Deep Field (HDF) del 1995, ottenuto in 10 giorni di esposizione cumulativa su una regione di cielo di dimensioni angolari minime, cui obiettivo primario era la rilevazione delle sorgenti extragalattiche più deboli accessibili allo strumento al fine di sondare la popolazione galattica a grandi redshift. In questo contesto, field si riferisce esplicitamente al field of view strumentale mentre deep indica la profondità fotometrica raggiunta tramite l’integrazione temporale (non una distanza cosmologica specifica).
Successive campagne (quali l'Hubble Deep Field South, Ultra Deep Field, eXtreme Deep Field) hanno esteso questo approccio mantenendo invariata la logica osservativa di base ma aumentando progressivamente il tempo di esposizione cumulativa ed il numero di bande osservate.
Il termine deep field ha quindi assunto un significato comparativo e storico: una osservazione è “deep” in relazione ai limiti precedentemente raggiunti dalla strumentazione disponibile.
Con l’arrivo del James Webb Space Telescope il significato operativo del termine si è ulteriormente ampliato: pur conservando la definizione osservativa di campo ristretto con esposizioni profonde, deep field implica oggi l’osservazione sistematica dell’Universo ad alto redshift nel regime dell’infrarosso, includendo di frequente le osservazioni spettroscopiche ad esso associate.
In questo contesto, il termine non denota esclusivamente una maggiore profondità fotometrica, ma una capacità qualitativamente nuova di sondare epoche cosmiche precedentemente inaccessibili, in particolare l’era della reionizzazione e le prime fasi della formazione galattica.
È importante notare che deep field non è definito da soglie assolute (in redshift, magnitudine limite o tempo di esposizione) ma da criteri relativi e strumentali.
La categorizzazione in deep, ultra-deep o extreme deep field riflette infatti l’evoluzione storica delle capacità osservative piuttosto che una tassonomia fisica intrinseca.
Nel linguaggio contemporaneo della cosmologia osservativa il termine deep field è spesso utilizzato in senso esteso per indicare un esperimento osservativo che, attraverso il campionamento di galassie estremamente deboli e distanti, fornisce vincoli indiretti sulle condizioni iniziali dell’Universo, inclusa la crescita delle strutture e le proprietà dello spettro primordiale delle perturbazioni.
In questo senso, il deep field è divenuto non solo uno strumento astronomico, ma un elemento centrale nel collegamento empirico tra osservazioni extragalattiche e modelli cosmologici fondamentali.
(2) Hubble Space Telescope (HST), predecessore del JWST, è un telescopio spaziale ancora oggi in funzione lanciato nel 1990.
A differenza di quest'ultimo (JWST opera nell'infrarosso vicino e medio, 0.6–28 μm) HST opera principalmente nel visibile e nel vicino infrarosso, ed ha permesso osservazioni ad alta risoluzione dell’Universo extragalattico ponendo le basi osservative per lo studio sistematico delle galassie ad alto redshift tramite le prime immagini deep field.
(3) Con Redshift (indicato con la lettera z) si intende lo spostamento verso lunghezze d’onda maggiori della radiazione elettromagnetica emessa da una sorgente cosmica dovuto principalmente all’espansione dell’Universo. In cosmologia, il redshift è utilizzato come misura indiretta della distanza e dell’epoca cosmica di emissione.
(4) Hubble Xtreme Deep Field, con i suoi 23 giorni di esposizione cumulativa, ha rappresentato il limite tecnologico per decenni. JWST in poche ore raggiunge profondità simili o superiori rilevando più galassie, a redshift più elevato e con un segnale migliore: non è solo più profondo o meno lento, è molto più efficiente.
Finora JWST non ha ancora fatto il suo equivalente dell’Hubble Xtreme Deep Field: ha ottenuto sì immagini profonde ma non “estreme” in senso assoluto.
E' infatti il tempo di esposizione il vero collo di bottiglia: i deep field JWST attuali durano ore o pochi giorni e sono spesso parte di survey ampie (CEERS, JADES, COSMOS-Web).
Un vero deepest deep field durerebbe invece settimane o mesi, con lo strumento puntato sempre sulla stessa identica regione di cielo con tutte le modalità più sensibili.
Non sarebbe soltanto in grado di vedere "più galassie", ma galassie la cui luce è ancora più debole, oggetti meno massicci e sistemi che oggi sono sotto la soglia di rilevabilità (probabilmente le vere galassie responsabili della reionizzazione) fornendoci - forse - accesso diretto all’epoca buia.
Con esposizioni estreme JWST potrebbe anche spingersi fino a z ≳ 15 osservando così galassie quando l’Universo aveva 100–200 milioni di anni, un periodo che si ritiene sia il confine tra le “prime galassie” e la fine delle età oscure cosmiche.
Il vero salto non sarebbe soltanto "fotografico": disporre delle loro immagini insieme a misure di spettroscopia profonda consentirebbe misure dirette di redshift, metallicità e ionizzazione del gas, così da poter distinguere tra galassie già evolute e protogalassie quasi “primordiali”.
I motivi per i quali non si è ancora proceduto a realizzare un deepest deep field sono molto pratici: JWST è iper-richiesto, ogni settimana di esposizione “monopolizza” il telescopio e la comunità sta ancora mappando “il territorio” (per ragioni simili anche l’Hubble Deep Field estremo arrivò anni dopo l'inizio delle campagne di osservazione).
(5) Sui vari modelli di inflazione puoi vedere il mio post pubblicato il 4 luglio 2025 "Quali erano le dimensioni dell'universo al termine dell'inflazione?" che li descrive in dettaglio.
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