Galassie: genesi ed evoluzione Understand article

Tradotto da: Paolo Sudiro. Gli astronomi stanno ancora cercando di scoprire esattamente perché le galassie hanno una forma a spirale e che cosa probabilmente accadrà in futuro alla nostra galassia.

La stabilità del cielo notturno è tanto consolante quanto ingannevole. Sebbene ci vogliano miliardi di anni, le stelle e le galassie che noi vediamo sono in uno stato di costante evoluzione.

Grazie a tecnologie osservative sempre più sofisticate, gli astronomi adesso possono vedere milioni di galassie a diverse distanze dalla Terra: la luce di quella che è considerate la galassia più lontana mai osservata finora ha impiegato oltre tredici miliardi (10⁹) di anni per raggiungerci (Zitrin et al., 2015). Ricostruire la storia di come cambiano ed evolvono le galassie significa guardare indietro ai momenti iniziali dell’esistenza dell’Universo.

La genesi delle galassie

All’inizio della storia dell’Universo la materia era distribuita quasi omogeneamente nello spazio, con fluttuazioni molto piccole di densità intorno a circa una parte su 100 000 – come piccolissimi mucchietti di farina su una superficie altrimenti perfettamente liscia. Ma l’Universo adesso è tutt’altro che omogeneo, con la materia densamente ammassata nelle galassie – così, come è potuto avvenire questo cambiamento nella distribuzione della materia?

In effetti, il problema è legato ad un altro mistero dell’Universo: che cos’è e di che cosa è fatta la materia oscura. Gli astronomi credono che gran parte della materia dell’Universo sia composta da tale materia “oscura”, piuttosto che dalla materia “normale” che vediamo intorno a noi. Sebbene tutta la materia sia ammassata dalla forza attrattiva della gravità, la materia normale è influenzata anche da altre forze che possono farla disperdere, come la forza elettromagnetica. Questo non avviene con la materia oscura, che – secondo la teoria – viene influenzata solo dalla gravità. Ciò significa che qualsiasi irregolarità nella materia oscura attrarrà verso di se sempre più materia oscura e crescerà, formando così strutture più grandi chiamate “aloni” di materia oscura. L’attrazione gravitazionale degli aloni massicci di materia oscura alla fine diventa abbastanza forte da attrarre anche la materia normale e così può cominciare la formazione cosmica di galassie.

La materia normale inizialmente attratta dalla materia oscura sarà una nube di gas di idrogeno. Quando poi il gas condensa formando le stelle, si inizia a formare una protogalassia, che successivamente assumerà la forma di un disco rotante – la tipica forma di una galassia, come la nostra, la Via Lattea. Mano a mano che la galassia cresce, la fonte di gas deve essere continuamente rinnovata per mantenere il tasso di formazione stellare. Gli astronomi ritengono che questo idrogeno venga ottenuto attraverso filamenti di gas attratti dallo spazio circostante la galassia. L’osservazione di una galassia lontana che si “nutre” di una vicina nube di idrogeno potrebbe avere confermato questa idea (Bouché et al., 2013).

Trasformazioni galattiche

Le galassie possono subire cambiamenti spettacolari durante e dopo la loro formazione, dovuti alle complesse dinamiche interne di stelle, gas e materia oscura al loro interno. Ad esempio, la notevole forma a spirale di molte galassie è dovuta a processi gravitazionali interni: si ritiene che i bracci della spirale derivino da un’onda di densità che spinge le stelle ad addensarsi man mano che si propaga attraverso il disco della galassia.

Anche la barra centrale che si vede in molte galassie a spirale, inclusa la Via Lattea, risulta da un processo simile. Le stelle che formano la barra centrale, che si vede in questa immagine di una galassia a spirale, sono quelle che hanno deviato dal loro moto circolare per muoversi su orbite sempre più allungate. Una possibile spiegazione di questo cambiamento è che, nella rotazione di un disco di stelle, le stelle interne completano un’orbita più velocemente di quelle più esterne, così che ogni tanto passano una vicino all’altra e si “superano”. Questi passaggi producono delle perturbazioni nella loro orbita circolare, che viene amplificata finché si produce una forma a barra^w1.

Un altro modo in cui si può trasformare una galassia è attraverso la fusione con un’altra galassia. Talvolta una galassia più grande ne attrarrà e assorbirà una più piccola in una specie di cannibalismo cosmico. Questo può succedere in futuro alla nostra stessa galassia, se (come si aspettano molti scienziati) alla fine inghiottirà le due galassie vicine note come Nubi di Magellano, che sono visibili dall’Emisfero meridionale.

La fusione può anche avvenire tra galassie di dimensioni simili, producendo eventi drammatici che causano cambiamenti catastrofici nelle proprietà delle galassie. Eventi simili si lasciano alle spalle un resto di galassia che somiglia ben poco a una qualsiasi delle due galassie originali. Tuttavia, mano a mano che l’Universo si espande sempre più velocemente, e che le galassie si allontanano sempre di più l’una dall’altra, le possibilità di fusione galattica si riducono.

Il futuro della nostra galassia

Attualmente la Via Lattea si trova in un periodo tranquillo della sua storia, dopo le violente fasi in cui la fusione dell’alone di materia oscura con le protogalassie provocò un sostanziale aumento della massa della galassia. Per più di metà della vita dell’Universo, la nostra galassia si è evoluta principalmente a causa di processi dinamici interni. Questo continuerà per ancora un paio di miliardi di anni. Comunque, Andromeda, la galassia simile alla nostra più vicina a noi (e che ad occhio nudo sembra una insignificante macchia simile ad una stella), si muove più vicina alla Via Lattea di 110 km ogni secondo – e si prevede che si scontrerà in pieno con la nostra galassia in quattro miliardi di anni (Van der Marel et al., 2012). Questa grande fusione richiederà due miliardi di anni per essere completata, durante i quali le due galassie a spirale barrata perderanno la propria individualità formando una maestosa rovina di forma ellittica.

Problemi aperti

Grazie all’enorme progresso tecnico e scientifico avvenuto fin dagli anni Settanta nel campo dell’astronomia galattica, oggi abbiamo una comprensione notevole dei modi in cui le galassie interagiscono e cambiano. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi aperti. Ad esempio, quando osserviamo le galassie più lontane, vediamo che molte di loro hanno forme differenti da quelle a noi vicine. Noi osserviamo queste galassie ad uno stadio iniziale della loro esistenza, a causa dei miliardi di anni che impiega la luce per coprire queste grandi distanze. Noi sappiamo che queste galassie giovani, di forma molto particolare, si sono evolute nel corso del tempo verso forme più familiari ellittiche o a disco, ma non siamo sicuri di come questo sia avvenuto.

Un problema centale dell’astronomia galattica è il fatto che non possiamo effettivamente osservare i processi astronomici nel corso del loro svolgimento, a causa della loro scala temporale straordinariamente lunga. Invece, la nostra comprensione proviene dalla generazione di modelli computerizzati e simulazioni basati su modelli teorici uniti ai dati osservativi. Attualmente, le nostre simulazioni migliori non coincidono del tutto con i fatti osservati. Ad esempio, le simulazioni attuali predicono l’esistenza di un numero di galassie piccole, o nane, superiore a quello osservato. Questa discrepanza è un problema, poiché suggerisce che ci sia qalcosa di inesatto nelle teorie astronomiche utilizzate per sviluppare le simulazioni – ma non ci è ancora chiaro dove esattamente si trovano gli errori. Anche le proprietà del nostro stesso circondario galattico non coincidono con alcuni risultati numerici fondamentali: le nostre galassie satelliti sono troppo “vaporose”, o diffuse – e probabilmente troppo poche – rispetto alle previsioni dello scenario cosmologico più ampiamente accettato^w2.

Negli ultimi decenni, comunque, le simulazioni astronomiche sono diventate molto più accurate e oggi siamo in grado di simulare il movimento di fino a un triliardo (10¹²) di particelle, diversamente dalle poche centinaia di particelle delle prime simulazioni. Questo riduce la necessità di inserire delle approssimazioni, permettendo una simulazione molto più accurata dei processi astronomici, che a sua volta permette una migliore comprensione teorica di questi processi. Nuove osservazioni e scoperte fatte utilizzando gli strumenti di osservazione più avanzati permetterà una maggiore precisione, aggiungendo anche nuovi vincoli, aiutandoci a individuare gli errori nei nostri modelli.

Di fatto, gli strumenti di osservazione che stanno entrando in uso possono rivoluzionare la nostra comprensione del cosmo. L’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, il più grande progetto astronomico mai realizzato, e il James Webb Space Telescope, di cui si prevede il lancio nel 2018, scruteranno nelle dense nubi di gas e polvere per chiarire il mistero della formazione stellare. Essi saranno anche in grado di individuare le protogalassie che si sono formate quando l’Universo aveva meno del cinque per cento della sua età attuale, migliorando quindi significativamente la nostra comprensione della formazione dellle galassie.

References

• Bouché N, Murphy MT, Kacprzak GG et al. (2013) Signatures of Cool Gas Fueling a Star-Forming Galaxy at Redshift 2.3. Science 341: 50–53. doi: 10.1126/science.1234209
• Van der Marel RP, Besla G, Cox TJ, Sohn ST, Anderson J (2012) The M31 Velocity Vector. III. Future Milky Way M31-M33 Orbital Evolution, Merging, and Fate of the Sun. Astrophysical Journal 753: 9. doi: 10.1088/0004-637X/753/1/9
• Zitrin A, Labbe I, Belli S et al. (2015) Lyman-alpha Emission from a Luminous z = 8.68 Galaxy: Implications for Galaxies as Tracers of Cosmic Reionization. Astrophysical Journal of Letters 810: L12. doi: 10.1088/2041-8205/810/1/L12

Web References

• w1 – La NASA mette a disposizione maggiori informazioni sulle galassie a spirale barrata e l’evoluzione delle galassie sul suo sito web Hubble. 
• w2 – Il blog Preposterous Universe offre una visione più approfondita delle galassie diffuse.

Resources

• Per saperne di più sulla materia oscura, vedete:
  • Boffin H (2008) “L’intelligenza ha un’importanza secondaria nella ricerca”. Science in School 10: 14. 
  • Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. 
• Per saperne di più sulla nascita ed evoluzione delle stelle, vedete:
  • Boffin H, Pierce-Price D (2007) La fusione nell’universo: siamo tutti polvere di stelle. Science in School 4: 61.
  • Lopes A, Boffin H (2009) La prima luce nell’Universo. Science in School 13: 48. 
  • Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusione nell’universo: da dove arrivano i vostri gioielli. Science in School 5: 52. 
• Guardate questo video una delle molte fantastiche simulazioni sulla formazione delle galassie che potete trovare online.
• Scoprite di più sulla collisione tra la Via Lattea e Andromeda usando spettacolari visualizzazioni e una simulazione video dell’evento.
• Per saperne di più sull’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array Observatory, vedete:
  • www.almaobservatory.org
  • Mignone C, Pierce-Price D (2010) L osservatorio ALMA: il cielo è solo a un passo da qui. Science in School 15: 44-49. 
• Cliccate qui per scoprire di più sul James Webb Space Telescope.
• Scoprite l’Illustris Project, un progetto di simulazione molto ambizioso che fornisce risultati di qualità senza precedenti sull’evoluzione cosmologica della materia oscura e delle galassie.
• Non perdete la vostra occasione di diventare cittadini scienziati! Aiutate gli astronomi a classificare le galassie sottoscrivendo il progetto Galaxy Zoo.

Institutions

Author(s)

Francesca Iannuzzi ha lavorato per sei anni sull’astrofisica computazionale. Durante il suo PhD al Max Planck Institute per l’Astrofisica di Monaco, in Germania, si è concentrata sulle simulazioni cosmologiche di formazione di strutture. In seguito ha lavorato come ricercatrice di postdotorato a simulazioni dinamiche di galassie a disco isolate presso il Centre National de la Recherche Scientifique di Marsiglia, in Francia. Attualmente si dedica alla ricerca e sviluppo nel campo dell’elaborazione del linguaggio naturale.

Susan Watt è una scrittrice ed editrice freelance. Ha studiato Scienze Naturali all’Università di Cambridge, in Gran Bretagna, e ha lavorato per diverse case editrici e organizzazioni scientifiche britanniche. I suoi interessi principali sono la filosofia della scienza e l’insegnamento della scienza.

Review

Questo articolo spiega la genesi e l’evoluzione delle galassie e potrebbe essere utile per accrescere l’interesse degli studenti sull’Universo.

Prima di leggere il testo, si potrebbero fare agli studenti le seguenti domande riguardo ai concetti spiegati nell’articolo:

• Qual è il nome della nostra galassia?
• Tutte la galassie hanno le stesse dimensioni e la stessa forma?
• Quando pensate che si siano formate le galassie?
• Che cosa può fare evolvere una galassia?

Infine l’articolo potrebbe essere usato come punto di partenza per una discussione sull’importanza dello sviluppo degli strumenti osservativi per migliorare la nostra comprensione del cosmo. Gli studenti dovrebbero essere consapevoli che, nella scienza, le teorie accettate sono le spiegazioni migliori disponibili in un certo momento. Comunque, se emergono nuovi dati che non coincidono con le teorie esistenti, può essere necessario riformularle.

Mireia Güell Serra, Spagna

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