Le Galassie e l'Universo - Geografia Generale (Cap.4)

Nell’Universo le stelle non sono mai isolate, ma fanno parte di sistemi chiamati galassie: in ognuna di esse sono presenti polveri, gas e miliardi di stelle tenuti insiemi dalla forza di gravità, in quanto ogni galassia è un sistema auto gravitazionale distante milioni di anni luce da quelli circostanti.

Tutte le stelle che possiamo vedere a occhio nudo appartengono alla Via Lattea (galassia di cui fa parte anche il sistema solare), anche se è possibile riconoscere Andromeda e le Nubi di Magellano, due piccole galassie che orbitano intorno alla Via Lattea.

In una stessa galassia possono coesistere stelle in fasi evolutive diverse. Lo spazio fra una stella e l’altra non è vuoto: si trovano particelle di gas, e polveri cosmiche costituite a ioni, atomi e molecole che formano il mezzo interstellare , un sistema caotico in continua evoluzione.

Spesso le galassie sono sufficientemente vicine da risentire di una reciproca attrazione gravitazionale: si formano così ammassi di galassie.

Gruppo Locale: ammasso di galassie di cui fa parte la Via Lattea insieme a Andromeda, alle Nubi di Magellano e a una ventina di altre galassie.

Gli ammassi sono spesso organizzati in sistemi più complessi: i superammassi. Il Gruppo Locale e l’ammasso della Vergine, ad esempio fanno parte di un unico superammasso.

I MOVIMENTI DELLE GALASSIE

Moto di rotazione: intorno al suo nucleo centrale.

Moto di traslazione: insieme alle altre galassie che fanno parte
dello stesso ammasso. Dato che la loro distanza è relativamente ridotta sono frequenti le così dette collisioni galattiche, che non implicano interazioni tra le stelle, ma coinvolgono solamente il mezzo interstellare. Gli effetti di queste collisioni possono portare le galassie a disgregarsi, deformarsi o fondersi e, nelle zone d’urto possono formarsi anche nuove stelle.

I movimenti delle galassie sono stati oggetti di studio in quanto sembrano provare l’esistenza di quello che gli astrofisici chiamano materia oscura: Si sa, infatti, che la forza gravitazionale è responsabile del moto, ma il moto di traslazione di alcune galassie supera i valori previsti applicando la legge gravitazionale alle masse osservate. Ciò indica che in molti ammassi è presente una quantità di massa maggiore che non può essere rilevata con strumenti ottici e che viene chiamata, dunque “materia oscura”.  Secondo alcuni astrofisici questa potrebbe essere composta da stelle poco luminose e di piccola massa, non visibili, da buchi neri o da particelle prive di carica. Si tratta comunque di ipotesi

LA CLASSIFICAZIONE DELLE GALASSIE

La classificazione delle galassie si basa su criteri semplici: la forma e le dimensioni.

-          Galassie ellittiche: si presentano come chiazze di luce di forma sferica o ovoidale entro le quali le stelle si distribuiscono in modo abbastanza regolare. La densità stellare è molto elevata nella regione centrale.

Predominano stelle rosse in fasi di vita avanzata, la probabilità che si formino nuove stelle è ridotta a causa dell’assenza di nebulose.

-          Galassie a spirale: presentano un rigonfiamento al centro circondato da un alone sferoidale formato da stelle polveri e gas da cui originano bracci a spirale caratterizzati da grandi quantità di polvere interstellare; si trovano dunque moltissime stelle in formazione o in stadi giovanili, mentre quelle più vecchie si trovano nella parte centrale. Vi sono inoltre dei tipi particolari di galassie a spirale chiamati a “spirale barrata” nelle quali i bracci partono da una sorta di barra che attraversa il nucleo.

-          Galassie irregolari:non sono dotate di forma geometricamente definita e sono poco frequenti. In esse sono presenti stelle molto giovani e nubi, polveri e gas. A questo si deve un’intensa attività di formazione di nuove stelle.

Galassie attive: indipendentemente dalla forma le galassie attive sono quelle che emettono radiazioni in quantità anomale rispetto alle normali galassie. Si pensa che in queste si verifichino particolari fenomeni esplosivi e turbolenti che, secondo molti studiosi dipendono dalla presenza al centro di un enorme buco nero che spiegherebbe l’emissione di energia.

Tra le galassie attive si includono:

-          Radiogalassie: emettono radiazioni molto intense nel campo delle onde radio (Galassie di Seyfert)

-          Quasar: sono corpi così  brillanti da sembrare oggetti stellari ordinari, in realtà non si tratta di stelle ma di oggetti estremamente luminosi situati ai limiti dell’Universo osservabile. Poiché sono visibili in cielo nonostante l’elevatissima distanza, si deduce che abbiano una luminosità enorme e di natura sconosciuta. Il loro studio è importante in quanto permettono di indagare sulla struttura dell’Universo primordiale, infatti, la luce che ci giunge da questi corpi risale a miliardi di anni fa.

LA VIA LATTEA

La Via Lattea è una galassia a spirale con diversi bracci, contiene oltre 100 miliardi di stelle che si trovano principalmente nella zona centrale detta nucleo galattico in cui, scarseggiano polveri e gas ed è quindi composto da stelle abbastanza vecchie. Forse al centro del nucleo si trova un buco nero di massa enorme.

Oltre il nucleo si estende il disco galattico dal quale partono alcuni bracci in cui invece sono presenti numerose nebulose, tra i quali il braccio di Orione, dove si trova il Sistema Solare. Intorno al disco inoltre si osserva un alone quasi sferico costituito da stelle vecchie raggruppate in ammassi.

Nella Via Lattea le stelle si muovono intorno al nucleo galattico, ciascuna sulla propria orbita con velocità variabile; anche il Sole con il Sistema Solare si muove alla velocità di circa 250 km/s e completa un giro in circa 200 milioni di anni.

Il Sole si trova in una posizione periferica, nel braccio di Orione, in cui la densità stellare è molto bassa, e questo è fattore di garanzia e stabilità perché l’area che lo circonda è relativamente vuota e quindi il sistema solare si trova protetto da collisioni, esplosioni di supernovae ed eventi catastrofici, inoltre questa regione è ricca di elementi chimici pesanti che non sono presenti nelle regioni più esterni della Galassia.

GLI AMMASSI STELLARI

Sono insiemi di stelle generati da una stessa nube che si muovono in modo solidale.

-          Ammassi aperti: hanno forma irregolare, contengono da poche decine a qualche migliaio di stelle, abbondano di materia interstellare e vi si trovano stelle giovani di seconda generazione che presentano un’elevata, metallicità.

Probabilmente si sono formati quando la Galassia si era già arricchiti di elementi pesanti prodotte da stelle vecchie localizzate nell’alone. Tra questi vi sono: Le Pleiadi, le Iadi e il Presepe

-          Ammassi globulari: hanno forma sferica, hanno un’elevata densità stellare, ma scarsa materia interstellare, per questo motivo non presentano stelle della sequenza principale, ma giganti rosse e stelle della prima generazione.

Probabilmente si sono formati in una fase primordiale della storia della galassia, per questo motivo le loro stelle contengono principalmente idrogeno.

IL RED SHIFT DELLE GALASSIE

Anche le galassie, come le stelle, producono spettri a righe. Si è osservato, però che queste sono sempre spostate verso il rosso; questo fenomeno, detto red shift indica che le galassie si stanno allontanando dalla nostra Galassia. (scoperto da Hubble)

Moto di recessione: il movimento di allontanamento delle altre galassie dalla nostra, la velocità di recessione è uguale a  v=Hd (H: costante di Hubble – d: distanza dalla terra).

Questa osservazione ha delle implicazioni importantissime, in quanto dimostrano che le dimensioni dell’Universo stanno aumentando costantemente (costante di Hubble); le galassie infatti non si espandono occupando regioni dello spazio preesistenti e vuote ma è lo spazio stesso che si espande trascinando le galassie nel suo movimento.

LE IPOTESI COSMOLOGICHE

La scoperta dell’espansione dell’Universo fu una vera e propria rivoluzione, infatti, immaginando di percorrere a ritroso il cammino che le galassie hanno compiuto nel tempo, arriveremo a un istante in cui erano vicine una all’altra e compressa in uno spazio ridottissimo. Utilizzando la costante di Hubble è possibile stabilire approssimativamente quando ebbe inizio l’espansione dell’Universo ed è quindi possibile  stimarne l’età, che è di circa 15-20 miliardi di anni.

Cosmologia: è la scienza che studia l’origine e l’evoluzione dell’Universo; è del tutto particolare in quanto non è possibile verificare l’esattezza di una qualsiasi ipotesi attraverso esperimenti.

Modello dello stato stazionario: è poco appoggiato in quanto viola il principio di conservazione della massa e dell’energia, affermando che l’universo non cambia nel tempo ma in esso si crea lentamente e continuamente nuova materia; nuove galassie quindi andrebbero a sostituire quelle che si sono allontanate.

Modello del big bang: secondo cui l’universo è nato in seguito a un’esplosione a partire da una singolarità cioè uno stato iniziale di densità e temperatura infinita.

Il momento in cui si è originato l’universo è detto tempo zero circa 15-20 miliardi di anni fa. I cosmologi sono riusciti a ricostruire in modo abbastanza attendibile la storia dell’universo a partire da 10^-43s dopo il tempo zero. È invece impossibile sapere cosa sia accaduto tra 0 e 10⁴³  s, denominato era di Plank, perché l’universo era un sistema che non può essere descritto con leggi fisiche dato che aveva dimensioni e temperatura infinitesimali e le forze fondamentali (gravitazionale, elettromagnetica, di interazione nucleare debole e forte) erano unificate in una sola “superforza”.

Successivamente al tempo di Plank l’universo cominciò a espandersi a velocità elevatissima e cominciarono a formarsi le prime particelle di materia mentre la densità e la temperatura diminuivano.

 Segue la fase di nucleosintesi in cui iniziarono le prime reazioni di fusione nucleare tra protoni, e si formarono nuclei atomici di elio e deuterio. Soltanto 4 minuti dopo il big bang, però, l’universo divenne troppo freddo per poter innescare nuove reazioni di fusione nucleare ma troppo elevate per permettere la formazione di atomi.

 Per 300.000 di anni l’Universo continuò la sua espansione e quando la temperatura scese a circa 3000K  fu possibile la formazione di atomi per aggregazione di nuclei e elettroni e l ‘universo che in precedenza era opaco perché i fotoni venivano continuamente assorbiti e riemessi dagli elettroni nel plasma, divenne trasparente e le radiazioni  luminose iniziarono a muoversi liberamente percorrendo lunghi tragitti. Cominciarono a formarsi le nebulose di gas e nacquero le prime protogalassie.

Le prove della validità della teoria del big bang:

-          La prima prova:  è il moto di recessione delle galassie.

-          La seconda prova: è l’analisi delle percentuali di idrogeno nell’Universo attuale, infatti la materia appare costituita per il 75% di idrogeno e il 25% di elio. Se non si fosse verificato il big bang, tutto l’elio attualmente presente nell’universo deriverebbe dalle reazioni di fusione nucleare avvenute nelle stelle; ma la quantità di elio rilevata risulta troppo elevata e uniforme ovunque, e ciò è in accordo con l’ipotesi che si sia formato nell’universo primordiale prima della nascita delle stelle e delle galassie.

-          La terza prova: è l’esistenza della cosiddetta radiazione cosmica di fondo, scoperta da Penzias e Wilson i quali, intenti a misurare l’intensità delle onde radio emesse dalla nostra Galassia per eliminare i rumori di fondo che potevano impedire una corretta analisi di altri segnali radio, captarono un rumore persistente. Pensarono inizialmente che fosse dovuto a un difetto dell’apparecchiatura o alla presenza di sorgenti locali di onde radio; ma col tempo si accorsero che il rumore proveniva uniformemente da tutte le direzioni del cielo e che si manteneva sempre costante. Si trattava in realtà di radiazioni elettromagnetiche a bassa energia e avanzarono l’ipotesi che si trattasse di una radiazione fossile residua del big bang. Successivamente venne scoperto dagli studiosi della NASA che la radiazione mostrava delle leggere variazioni nelle diverse direzioni, dimostrando che la distribuzione  della materia nell’Universo primordiale non era omogenea e proprio queste fluttuazioni permisero la formazione delle galassie.

Dal punto di vista teorico gli scenari futuri possibili dell’Universo potrebbero essere tre e dipendono dalla sua densità:

-        -  Se la densità dell’Universo è sufficiente per generare una forza gravitazionale in grado di fermare la spinta all’espansione: l’universo ricadrà su se stesso in un gigantesco collasso detto big crunch e non è possibile prevedere cosa avverrà dopo il collasso. (Universo chiuso)

-      -   Se la densità dell’Universo non genera una forza gravitazionale sufficiente per fermare l’espansione: le galassie continueranno a allontanarsi, le stelle si esauriranno fino a spegnersi. L’universo diventerà sempre più freddo e vuoto. (Universo aperto)

-       -   Se la forza gravitazionale non sarà sufficiente per causare una contrazione ma riuscirà a contrastare l’espansione: si avrà un Universo piatto.

Per capire quale dei tre modelli si avvicina maggiormente è essenziale riuscire a determinare l’intensità della forza gravitazionale o misurando il red shift delle galassie e osservare se l’espansione gradualmente rallenta, oppure cercando di stimare la densità dell’Universo (impossibile perché non lo si conosce tutto e  esiste anche la materia oscura che non è conoscibile).