La vita delle galassie e la storia del loro studio

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

La storia dello studio dei pianeti e delle stelle si misura in millenni, Sole, comete, asteroidi e meteoriti - in secoli. Ma le galassie, sparse nell'Universo, ammassi di stelle, gas cosmici e particelle di polvere, sono diventate oggetto di ricerca scientifica solo negli anni '20.

Le galassie sono state osservate da tempo immemorabile. Una persona con una vista acuta può distinguere punti luminosi nel cielo notturno, simili a gocce di latte. Nel X secolo, l'astronomo persiano Abd-al-Raman al-Sufi menzionò nel suo Libro delle stelle fisse due punti simili, ora conosciuti come la Grande Nube di Magellano e la galassia M31, alias Andromeda.

Con l'avvento dei telescopi, gli astronomi hanno osservato sempre più di questi oggetti, chiamati nebulose. Se l'astronomo inglese Edmund Halley elencò solo sei nebulose nel 1716, il catalogo pubblicato nel 1784 dall'astronomo navale francese Charles Messier ne conteneva già 110 - e tra queste quattro dozzine di galassie reali (inclusa M31).

Nel 1802, William Herschel pubblicò un elenco di 2.500 nebulose e suo figlio John pubblicò un catalogo di oltre 5.000 nebulose nel 1864.

Il nostro vicino più prossimo, la galassia di Andromeda (M31), è uno degli oggetti celesti preferiti per le osservazioni astronomiche e la fotografia amatoriale.

La natura di questi oggetti è sfuggita a lungo alla comprensione. A metà del XVIII secolo, alcune menti perspicaci videro in loro sistemi stellari simili alla Via Lattea, ma i telescopi a quel tempo non fornirono l'opportunità di verificare questa ipotesi.

Un secolo dopo, prevalse l'opinione che ogni nebulosa fosse una nube di gas illuminata dall'interno da una giovane stella. Successivamente, gli astronomi furono convinti che alcune nebulose, tra cui Andromeda, contenessero molte stelle, ma per molto tempo non era chiaro se si trovassero nella nostra Galassia o oltre.

Fu solo nel 1923-1924 che Edwin Hubble determinò che la distanza dalla Terra ad Andromeda era almeno tre volte il diametro della Via Lattea (in effetti, circa 20 volte) e che M33, un'altra nebulosa del catalogo di Messier, non era meno distante da noi distanza. Questi risultati segnarono l'inizio di una nuova disciplina scientifica: l'astronomia galattica.

Nel 1926, il famoso astronomo americano Edwin Powell Hubble propose (e nel 1936 modernizzò) la sua classificazione delle galassie in base alla loro morfologia. A causa della sua forma caratteristica, questa classificazione è anche chiamata "diapason Hubble".

Sul "gambo" del diapason ci sono galassie ellittiche, sui rebbi della forcella - galassie lenticolari senza maniche e galassie a spirale senza ponte a barra e con una barra. Le galassie che non possono essere classificate come una delle classi elencate sono chiamate irregolari o irregolari.

Nani e giganti

L'universo è pieno di galassie di diverse dimensioni e masse. Il loro numero è noto in modo molto approssimativo. Nel 2004, il telescopio orbitante Hubble ha scoperto circa 10.000 galassie in tre mesi e mezzo, scansionando nella costellazione meridionale della Fornace una regione del cielo cento volte più piccola dell'area del disco lunare.

Se assumiamo che le galassie siano distribuite sulla sfera celeste con la stessa densità, si scopre che nello spazio osservato sono 200 miliardi, ma questa stima è molto sottostimata, poiché il telescopio non è stato in grado di notare un gran numero di galassie molto deboli.

Forma e contenuto

Le galassie differiscono anche nella morfologia (cioè nella forma). In generale, sono divisi in tre classi principali: a forma di disco, ellittiche e irregolari (irregolari). Questa è una classificazione generale, ce ne sono di più dettagliate.

Le galassie non sono affatto distribuite casualmente nello spazio. Le galassie massicce sono spesso circondate da piccole galassie satellite. Sia la nostra Via Lattea che la vicina Andromeda hanno almeno 14 satelliti e molto probabilmente ce ne sono molti di più. Le galassie amano unirsi in coppie, terzine e gruppi più grandi di dozzine di partner legati gravitazionalmente.

Le associazioni più grandi, gli ammassi galattici, contengono centinaia e migliaia di galassie (il primo di tali ammassi fu scoperto da Messier). A volte, al centro dell'ammasso si osserva una galassia gigante particolarmente brillante, che si ritiene sia sorta durante la fusione di galassie più piccole.

E infine, ci sono anche i superammassi, che includono sia ammassi e gruppi galattici, sia singole galassie. Di solito si tratta di strutture allungate lunghe fino a centinaia di megaparsec. Sono separati da vuoti spaziali quasi completamente privi di galassie della stessa dimensione.

I superammassi non sono più organizzati in strutture di ordine superiore e sono sparsi in tutto il Cosmo in modo casuale. Per questo motivo, su una scala di diverse centinaia di megaparsec, il nostro Universo è omogeneo e isotropo.

Una galassia a forma di disco è una frittella stellare che ruota attorno a un asse passante per il suo centro geometrico. Di solito su entrambi i lati della zona centrale della frittella c'è un rigonfiamento ovale (dal rigonfiamento inglese). Anche il rigonfiamento ruota, ma con una velocità angolare inferiore a quella del disco. Nel piano del disco si osservano spesso rami a spirale, ricchi di luminari luminosi relativamente giovani. Tuttavia, ci sono dischi galattici senza una struttura a spirale, dove ci sono molte meno stelle di questo tipo.

La zona centrale di una galassia a forma di disco può essere tagliata da una barra stellare - una barra. Lo spazio all'interno del disco è riempito con un mezzo di gas e polvere, il materiale sorgente per nuove stelle e sistemi planetari. La galassia ha due dischi: stellare e gassoso.

Sono circondati da un alone galattico - una nube sferica di gas caldo rarefatto e materia oscura, che fornisce il contributo principale alla massa totale della galassia. L'alone contiene anche singole vecchie stelle e ammassi globulari (ammassi globulari) fino a 13 miliardi di anni. Al centro di quasi tutte le galassie a forma di disco, con o senza rigonfiamento, c'è un buco nero supermassiccio. Le più grandi galassie di questo tipo contengono 500 miliardi di stelle ciascuna.

via Lattea

Il sole ruota attorno al centro di una galassia a spirale abbastanza ordinaria, che comprende 200-400 miliardi di stelle. Il suo diametro è di circa 28 kiloparsec (poco più di 90 anni luce). Il raggio dell'orbita intragalattica solare è di 8,5 kiloparsec (in modo che la nostra stella sia spostata sul bordo esterno del disco galattico), il tempo di una rivoluzione completa attorno al centro della Galassia è di circa 250 milioni di anni.

Il rigonfiamento della Via Lattea è di forma ellittica e presenta una barra scoperta di recente. Al centro del rigonfiamento c'è un nucleo compatto pieno di stelle di varie età, da diversi milioni di anni a un miliardo e oltre. All'interno del nucleo, dietro dense nubi polverose, si trova un buco nero piuttosto modesto per gli standard galattici: solo 3,7 milioni di masse solari.

Il nostro Galaxy vanta un doppio disco stellare. Il disco interno, che non ha più di 500 parsec in verticale, rappresenta il 95% delle stelle nella zona del disco, comprese tutte le giovani stelle luminose. È circondato da un disco esterno spesso 1.500 parsec, dove vivono le stelle più vecchie. Il disco gassoso (più precisamente gas-polvere) della Via Lattea ha uno spessore di almeno 3,5 kiloparsec. I quattro bracci a spirale del disco sono regioni di maggiore densità del mezzo gas-polvere e contengono la maggior parte delle stelle più massicce.

Il diametro dell'alone della Via Lattea è almeno il doppio del diametro del disco. Lì sono stati scoperti circa 150 ammassi globulari e, molto probabilmente, una cinquantina di più non sono stati ancora scoperti. I cluster più antichi hanno più di 13 miliardi di anni. L'alone è pieno di materia oscura con una struttura bitorzoluta.

Fino a poco tempo si riteneva che l'alone fosse quasi sferico, tuttavia, secondo gli ultimi dati, può essere notevolmente appiattito. La massa totale della Galassia può arrivare fino a 3 trilioni di masse solari, con la materia oscura che rappresenta il 90-95%. La massa delle stelle nella Via Lattea è stimata in 90-100 miliardi di volte la massa del Sole.

Una galassia ellittica, come suggerisce il nome, è ellissoidale. Non ruota nel suo insieme e quindi non ha simmetria assiale. Le sue stelle, che per lo più hanno una massa relativamente bassa e un'età considerevole, ruotano attorno al centro galattico su piani diversi e talvolta non individualmente, ma in catene molto allungate.

I nuovi luminari nelle galassie ellittiche si accendono raramente a causa della carenza di materie prime: l'idrogeno molecolare.

Come gli umani, le galassie sono raggruppate insieme. Il nostro Gruppo Locale comprende le due più grandi galassie nelle vicinanze di circa 3 megaparsec - la Via Lattea e Andromeda (M31), la galassia Triangulum, così come i loro satelliti - le Grandi e Piccole Nubi di Magellano, galassie nane in Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix e molti altri - per un totale di una cinquantina. Il gruppo locale, a sua volta, è un membro del superammasso della Vergine locale.

Sia le galassie più grandi che quelle più piccole sono di tipo ellittico. La quota totale dei suoi rappresentanti nella popolazione galattica dell'Universo è solo del 20% circa. Queste galassie (con la possibile eccezione di quelle più piccole e deboli) nascondono anche buchi neri supermassicci nelle loro zone centrali. Anche le galassie ellittiche hanno aloni, ma non così chiari come quelli a forma di disco.

Tutte le altre galassie sono considerate irregolari. Contengono molta polvere e gas e stanno attivamente producendo giovani stelle. Ci sono poche galassie di questo tipo a distanze moderate dalla Via Lattea, solo il 3%.

Tuttavia, tra gli oggetti con un grande redshift, la cui luce è stata emessa non più tardi di 3 miliardi di anni dopo il Big Bang, la loro quota aumenta notevolmente. Apparentemente, tutti i sistemi stellari della prima generazione erano piccoli e avevano contorni irregolari, e molto più tardi sorsero grandi galassie a forma di disco ed ellittiche.

Nascita delle galassie

Le galassie sono nate subito dopo le stelle. Si ritiene che i primi luminari abbiano lampeggiato non più tardi di 150 milioni di anni dopo il Big Bang. Nel gennaio 2011, un team di astronomi che elaborava informazioni dal telescopio spaziale Hubble ha riportato la probabile osservazione di una galassia la cui luce è andata nello spazio 480 milioni di anni dopo il Big Bang.

Ad aprile, un altro gruppo di ricerca ha scoperto una galassia che, con ogni probabilità, era già completamente formata quando il giovane universo aveva circa 200 milioni di anni.

Le condizioni per la nascita di stelle e galassie sono nate molto prima che iniziasse. Quando l'universo ha superato i 400.000 anni, il plasma nello spazio è stato sostituito da una miscela di elio neutro e idrogeno. Questo gas era ancora troppo caldo per fondersi nelle nubi molecolari che danno origine alle stelle.

Tuttavia, era adiacente a particelle di materia oscura, inizialmente distribuite nello spazio in modo non abbastanza uniforme, dove è un po' più denso, dove è più rarefatto. Non hanno interagito con il gas barionico e quindi, sotto l'azione dell'attrazione reciproca, sono collassati liberamente in zone di maggiore densità.

Secondo i calcoli del modello, entro cento milioni di anni dopo il Big Bang, nello spazio si sono formate nubi di materia oscura delle dimensioni dell'attuale sistema solare. Si combinarono in strutture più grandi, nonostante l'espansione dello spazio. Ecco come sono sorti gli ammassi di nuvole di materia oscura, e poi gli ammassi di questi ammassi. Hanno risucchiato il gas spaziale, permettendogli di addensarsi e collassare.

In questo modo sono apparse le prime stelle supermassicce, che sono rapidamente esplose in supernove e hanno lasciato buchi neri. Queste esplosioni hanno arricchito lo spazio con elementi più pesanti dell'elio, che hanno contribuito a raffreddare le nubi di gas in fase di collasso e hanno quindi reso possibile la comparsa di stelle di seconda generazione meno massicce.

Tali stelle potrebbero già esistere per miliardi di anni e quindi sono state in grado di formare (sempre con l'aiuto della materia oscura) sistemi legati gravitazionalmente. È così che sono nate le galassie longeve, compresa la nostra.

"Molti dei dettagli della galattogenesi sono ancora nascosti nella nebbia", afferma John Kormendy. - In particolare, questo vale per il ruolo dei buchi neri. Le loro masse vanno da decine di migliaia di masse solari all'attuale record assoluto di 6,6 miliardi di masse solari, appartenenti a un buco nero dal nucleo della galassia ellittica M87, situato a 53,5 milioni di anni luce dal Sole.

I buchi nei centri delle galassie ellittiche sono solitamente circondati da rigonfiamenti costituiti da vecchie stelle. Le galassie a spirale possono non avere affatto rigonfiamenti o avere le loro somiglianze piatte, pseudo-rigonfiamenti. La massa di un buco nero è di solito tre ordini di grandezza inferiore alla massa del rigonfiamento - naturalmente, se è presente. Questo schema è confermato dalle osservazioni che coprono buchi con una massa da un milione a un miliardo di masse solari.

Secondo il professor Kormendy, i buchi neri galattici guadagnano massa in due modi. Il buco, circondato da un rigonfiamento a tutti gli effetti, cresce a causa dell'assorbimento di gas che arriva al rigonfiamento dalla zona esterna della galassia. Durante la fusione delle galassie, l'intensità dell'afflusso di questo gas aumenta bruscamente, provocando esplosioni di quasar.

Di conseguenza, rigonfiamenti e buchi evolvono in parallelo, il che spiega la correlazione tra le loro masse (tuttavia, possono funzionare anche altri meccanismi ancora sconosciuti).

Ricercatori dell'Università di Pittsburgh, UC Irvine e dell'Università Atlantica della Florida hanno modellato la collisione della Via Lattea e il predecessore della galassia ellittica nana del Sagittario (SagDEG) nel Sagittario.

Hanno analizzato due opzioni per le collisioni: con un facile (3x10¹⁰masse solari) e pesante (10¹¹ masse solari) SagDEG. La figura mostra i risultati di 2,7 miliardi di anni di evoluzione della Via Lattea senza interazione con una galassia nana e con interazione con la variante leggera e pesante di SagDEG.

Le galassie prive di calvizie e le galassie con pseudo-rigonfiamenti sono una questione diversa. Le masse dei loro fori di solito non superano le 104-106 masse solari. Secondo il professor Kormendy, sono alimentati con gas a causa di processi casuali che si verificano vicino al buco e non si estendono attraverso l'intera galassia. Un tale buco cresce indipendentemente dall'evoluzione della galassia o dal suo pseudo-rigonfiamento, il che spiega la mancanza di correlazione tra le loro masse.

Galassie in crescita

Le galassie possono aumentare sia in dimensioni che in massa. "Nel lontano passato, le galassie lo facevano in modo molto più efficiente rispetto alle recenti ere cosmologiche", spiega Garth Illingworth, professore di astronomia e astrofisica presso l'Università della California, a Santa Cruz. - Il tasso di nascita di nuove stelle è stimato in termini di produzione annua di un'unità di massa di materia stellare (in questa capacità, la massa del Sole) per unità di volume di spazio esterno (solitamente un megaparsec cubico).

Al momento della formazione delle prime galassie, questa cifra era molto piccola, quindi iniziò a crescere rapidamente, che continuò fino a quando l'Universo ebbe 2 miliardi di anni. Per altri 3 miliardi di anni è stato relativamente costante, poi ha cominciato a diminuire quasi in proporzione al tempo, e questo declino continua ancora oggi. Quindi 7-8 miliardi di anni fa, il tasso medio di formazione stellare era 10-20 volte superiore a quello attuale. La maggior parte delle galassie osservabili era già completamente formata in quella lontana epoca.

La figura mostra i risultati dell'evoluzione in tempi diversi: la configurazione iniziale (a), dopo 0, 9 (b), 1, 8 © e 2, 65 miliardi di anni (d). Secondo i calcoli del modello, la barra e i bracci a spirale della Via Lattea potrebbero essersi formati a seguito di collisioni con SagDEG, che inizialmente ha attirato 50-100 miliardi di masse solari.

Per due volte è passato attraverso il disco della nostra Galassia e ha perso parte della sua materia (sia ordinaria che oscura), causando perturbazioni della sua struttura. L'attuale massa di SagDEG non supera le decine di milioni di masse solari e la prossima collisione, prevista non oltre 100 milioni di anni dopo, sarà molto probabilmente l'ultima.

In termini generali, questa tendenza è comprensibile. Le galassie crescono in due modi principali. In primo luogo, ottengono nuovo materiale starburst aspirando particelle di gas e polvere dallo spazio circostante. Per diversi miliardi di anni dopo il Big Bang, questo meccanismo ha funzionato correttamente semplicemente perché nello spazio c'era abbastanza materia prima stellare per tutti.

Poi, quando le riserve furono esaurite, il tasso di nascita stellare scese. Tuttavia, le galassie hanno trovato la capacità di aumentarlo attraverso collisioni e fusioni. È vero, per realizzare questa opzione, le galassie in collisione devono avere una discreta fornitura di idrogeno interstellare. Per le grandi galassie ellittiche, dove praticamente non c'è più, la fusione non aiuta, ma nelle galassie discoidi e irregolari funziona.

Rotta di collisione

Vediamo cosa succede quando due galassie di tipo a disco approssimativamente identiche si fondono. Le loro stelle non si scontrano quasi mai - le distanze tra loro sono troppo grandi. Tuttavia, il disco gassoso di ogni galassia sta sperimentando forze di marea dovute alla gravità del suo vicino. La materia barionica del disco perde parte del momento angolare e si sposta al centro della galassia, dove si creano le condizioni per una crescita esplosiva del tasso di formazione stellare.

Parte di questa sostanza viene assorbita dai buchi neri, che guadagnano anche massa. Nella fase finale dell'unificazione delle galassie, i buchi neri si fondono ei dischi stellari di entrambe le galassie perdono la loro struttura precedente e si disperdono nello spazio. Di conseguenza, un'ellittica è formata da una coppia di galassie a spirale. Ma questo non è affatto il quadro completo. Le radiazioni delle giovani stelle luminose possono far fuoriuscire parte dell'idrogeno dalla galassia appena nata.

Allo stesso tempo, l'accrescimento attivo di gas sul buco nero costringe quest'ultimo a lanciare di tanto in tanto nello spazio getti di enormi particelle energetiche, riscaldando il gas in tutta la galassia e impedendo così la formazione di nuove stelle. La galassia si sta gradualmente calmando, molto probabilmente per sempre.

Galassie di diverse dimensioni si scontrano in modo diverso. Una grande galassia è in grado di inghiottire una galassia nana (in una volta o in più passaggi) e allo stesso tempo preservare la propria struttura. Questo cannibalismo galattico può anche stimolare la formazione di stelle.

La galassia nana è completamente distrutta, lasciando dietro di sé catene di stelle e getti di gas cosmico, che si osservano sia nella nostra Galassia che nella vicina Andromeda. Se una delle galassie in collisione non è troppo superiore all'altra, sono possibili effetti ancora più interessanti.

Aspettando il super telescopio

L'astronomia galattica è sopravvissuta per quasi un secolo. Ha iniziato praticamente da zero e ha ottenuto molto. Tuttavia, il numero di problemi irrisolti è molto elevato. Gli scienziati si aspettano molto dal James Webb Infrared Orbiting Telescope, il cui lancio era previsto nel 2021.