Struttura ed evoluzione delle Galassie
Massimo Badiali
INAF - Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica
•Un po’ di storia della conoscenza umana in proposito
•Come si sono formate le galassie
•La loro struttura, i nuclei galattici (attivi e non) e le popolazioni stellari
•La nostra Galassia
L’universo, almeno nella sua parte visibile, è strutturato in galassie
raggruppate in ammassi. Questa nozione è sorprendentemente recente, e
ciò merita un piccolo excursus storico su come l’umanità è arrivata alla
conoscenza attuale.
I nostri antenati, guardando il cielo, non vedevano naturalmente
quest’immagine, ottenuta col telescopio spaziale HST
Ad occhio nudo essi potevano osservare, in realtà meglio di quanto in genere
sia possibile oggi, un cielo stellato e una affascinante struttura luminosa:
la Via Lattea
Si chiesero che cosa fosse, e quale fosse la sua origine.
Cominciarono anche a tentare qualche risposta
Una delle risposte sta nel nome stesso. Ce ne sono altre …
•Gocce di LATTE sparse dal seno di Era (Giunone) => GALASSIA
•Resti dell'incendio provocato in cielo da Fetonte durante la sua corsa con il
Carro del Sole (prima che Zeus lo fermasse con un fulmine)
•Spighe di grano lasciate cadere da Iside che fuggiva dal gigante Tifone
•Il Nilo celeste per gli Egizi
•Il fiume celeste degli Incas, da dove il dio del tuono prendeva le piogge
•La strada degli spiriti per gli Indiani d’America
•Il sentiero celeste per i pellegrini verso Santiago (S. Giacomo) de
Compostela (Campus Stellae)
•La paglia lasciata cadere da S. Giacomo (u strascino ‘e San Giacomo,
Puglia)
San Giacomo e la Via Lattea sono nella tradizione dell’Europa mediterranea
Federico García Lorca SANTIAGO (Balada ingenua) -1918
Esta noche ha pasado Santiago
su camino de luz en el cielo.
Lo comentan los niños jugando
con el agua de un cauce sereno
Dónde va el peregrino celeste
por el claro infinito sendero?
Va a la aurora que brilla en el fondo
en caballo blanco como el hielo.
Dice un hombre que ha visto a Santiago
en tropel con doscientos guerreros;
iban todos cubiertos de luces,
con guirnaldas de verdes luceros,
y el caballo que monta Santiago
era un astro de brillos intensos.
Dice el hombre que cuenta la historia
que en la noche dormida se oyeron
tremolar plateado de alas
que en sus ondas llevóse el silencio.
-Madre abuela, ¿cuál es el camino,
madre abuela, que yo no lo veo?
-Mira bien y verás una cinta
de polvillo harinoso y espeso,
un borrón que parece de plata
o de nácar. ¿Lo ves? Ya lo veo.
Questa notte è passato San Giacomo
su un sentiero di luce nel cielo.
Lo commentano i bimbi giocando
con l’acqua di un ruscello sereno.
Dove va il pellegrino celeste
per il chiaro infinito sentiero?
Va all’aurora che brilla nel fondo
su cavallo bianco di gelo.
Dice un uomo che ha visto San Giacomo
in drappello con cento guerrieri.
Erano tutti coperti di luce
con ghirlande di verdi bagliori,
e il cavallo che monta San Giacomo
era un astro di intenso splendore.
Dice l’uomo che conta la storia
che nella notte dormiente si udiva
tremolare battito d’ali
che il silenzio portò via sulle onde.
- Nonna qual è quel sentiero,
ché io non lo vedo?
- Guarda bene e vedrai un nastro
di polvere densa e farinosa,
una macchia che sembra d’argento
o di madreperla. La vedi? Sì, la vedo.
La forza di suggestione del mito è grande. Ma già gli antichi Greci avevano
cominciato a osservare il cielo con occhio razionale. Ipparco di Nicea,
autore del primo catalogo stellare con le posizioni sorprendentemente
precise di più di 1000 stelle.
In suo onore fu chiamato Hipparcos il satellite
astrometrico dell’ESA che negli anni 90 costruì la prima
grande mappa stellare con 120.000 stelle (e impegnò 25
anni di lavoro del relatore)
Senza strumenti però
Ipparco non poteva capire
in che cosa consistesse la
bianca luce lattiginosa …
Il primo ad intuire che il colore biancastro di quella fascia ad arco che
si trova in cielo fosse dovuto all'enorme numero di stelle che si
addensano in tale direzione fu Galileo.
In ogni caso, difficile concludere che noi ci stiamo dentro!
Questa è l’immagine in luce visibile della Via Lattea a tutto campo
W. Herschel (1738-1822) in collaborazione con il figlio intuì per primo la
forma schiacciata della Galassia, osservando che stelle deboli, e quindi
potenzialmente molto lontane, si trovavano per la maggior parte in
prossimità della Via Lattea, e che percorrendo la stessa si incontra più o
meno lo stesso numero di stelle (allora il Sole sta al centro della
Galassia?).
Solo dopo più di un secolo H. Shapley scoprì la posizione periferica del
Sole osservando una maggiore concentrazione di ammassi nella zona del
Sagittario.
Il grande enigma sulla struttura
dell’universo cominciò a diradarsi grazie
all’osservazione delle nebulose. I primi
astronomi che le osservarono non
sapevano quale fosse l’enorme differenza
tra due distinti tipi, ad esempio tra la
Nebulosa della Carena (sopra) e la Grande
Nube di Magellano (sotto). Entrambe sono
oggetti estesi dalla luminosità diffusa.
Nebulose, appunto.
Già Herschel aveva scoperto che alcune di
queste, osservate con telescopi più
potenti, si risolvevano in stelle, ma ancora
Shapley all’inizio del 1900 pensava che
questi sistemi stellari facessero parte
della Via Lattea, che stimava molto estesa
(300 mila anni-luce), mentre il suo collega
e rivale Hubble parlava di nebulose
extragalattiche, simili alla nostra Galassia
Che cosa sappiamo oggi?
•
•
•
Che Hubble aveva ragione: le
nebulose che si risolvono in
stelle sono galassie più o meno
simili alla nostra, distanti non
migliaia, ma milioni e miliardi di
anni-luce
Stabilita la loro natura, si capì
che dovevano esserci molte
galassie: migliaia, forse
milioni? I grandi telescopi
moderni, e specialmente il
telescopio spaziale “HUBBLE”
mostrano che sono miliardi
Che la nostra galassia e' una
spirale di tipo Sb, non si sa
ancora se barrata o no, di
dimensioni e massa tipiche per
una spirale gigante: contiene
circa 150 miliardi di stelle.
Visibile solo in parte, dato che
ci troviamo al suo interno;
Quindi, conosciamo bene la nostra Galassia, al punto di classificarla. Sì,
ma che significa “spirale”? E che significa “barrata”? E che significa Sb?
Forse, per capire meglio la struttura della nostra Galassia, è il caso di
dare uno sguardo alle galassie in genere, e magari farne una breve storia.
L’Universo ha circa 15 miliardi di anni. Le galassie
compaiono già dal primo miliardo di anni.
Le galassie si sono formate per la condensazione gravitazionale della
materia primordiale (H e He). Ma la condensazione avviene attorno a
“grumi” (addensamenti) primari.
In altre parole, l’universo primordiale non doveva essere perfettamente
omogeneo!
Infatti, il satellite COBE, e poi WMAP, hanno mostrato leggere
fluttuazioni nella radiazione cosmica a microonde, che è l’”immagine”
fossile dell’universo primordiale. Questa disomogeneità ha reso possibile
la formazione delle galassie
Storia dell’universo.
Dal progetto WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA) lanciato nel 200
Lì la gravità ha cominciato a lavorare, opponendosi all’espansione ancora in
atto, e localmente vincendola, provocando un fenomeno simile alla
espansione “esplosiva” di un fluido viscoso: le distanze su grande scala
aumentano, ma localmente le parti cercano di rimanere connesse: così,
nell’universo ancora in espansione, le galassie non solo si formano per
condensazione, ma si attraggono a vicenda, distribuendosi a “filamenti” e
“bolle”.
Ammasso di galassie e immagine in raggi X
Dell’emissione di gas diffuso nell’ ammasso
Le galassie quindi
tendono a
raggrupparsi in grandi
AMMASSI.
Gli ammassi di galassie
contengono tenue gas
diffuso (1 atomo per
litro mediando
sull’intero ammasso,
con densità maggiori
al centro) a
temperature di 107108 K che emette
raggi X.
Per ora, limitiamoci a vedere come si forma una singola
galassia. Circa un miliardo di anni dopo il big bang, la materia
comincia a condensarsi in grosse nubi più o meno sferiche. Ogni
nube si muove rispetto alle altre, sia per traslazione che per
rotazione.
Con la contrazione, la rotazione accelera
per conservare il momento angolare. La
materia comincia a contrarsi non solo
verso il nucleo, ma anche intorno al disco
perpendicolare all’asse di rotazione.
La galassia risulta tanto più schiacciata
quanto maggiore è la velocità di rotazione.
La forma risultante della galassia dipende
dalle condizioni dinamiche in cui si è
formata dalla nube primordiale, e anche
dalle interazioni gravitazionali col resto
dell’universo, anzitutto con le galassie
vicine.
CI SONO DIVERSI TIPI DI GALASSIE
La principale differenza tra
spirali ed ellittiche
Le ellittiche sono povere di
gas interstellare, che si
esaurisce quasi del tutto nella
prima fase di formazione
stellare: sono fatte di stelle
di 1a generazione
Le spirali, caratterizzate da
una rotazione più rapida,
formano il disco su cui precipita
il gas residuo. Lì prosegue la
formazione stellare
M87
Come si forma una galassia dalla nube primordiale
1. La nube si contrae. Mantiene una simmetria più o meno sferica. Si
formano zone più dense. Una di esse è certamente il Centro.
2. Per l’instabilità gravitazionale la contrazione si accentua.
• Nelle zone più dense si raggiunge alta densità e temperatura e si
innesca la formazione stellare, generalizzata, o in ammassi globulari
• Il centro della nube è anche il più formidabile attrattore: intorno
ad esso c’è un’ampia zona di densa formazione stellare (il Bulbo);
• proprio al centro si accumula una grande quantità di materia a
formare il Nucleo – forse attorno ad una grande massa primordiale
preesistente, anche un buco nero - con altissimi valori di densità e
temperatura (e fenomeni violenti). La materia che cade nel Nucleo
caldissimo e massiccio emette radiazione intensa, generalmente
indizio della presenza di un buco nero (in formazione o
preesistente).
3. A seconda di vari parametri iniziali, in primo luogo la velocità di
rotazione della nube e anche la sua massa, le storie si differenziano.
Possiamo distinguere alcuni percorsi principali e quindi diversi tipi di
galassie.
Prima di affrontare questo tema, consideriamo un grande protagonista
presente in ogni tipo di galassia: il suo Nucleo.
Perché non abbiamo mostrato il nucleo della nostra Galassia?
Perché noi stiamo proprio sul Disco Galattico, e se guardiamo il Centro,
incontriamo tutta la materia del Bulbo: è la zona più densa della Via Lattea
Già in luce infrarossa siamo meno disturbati dall’assorbimento da parte
delle nubi di polvere che circondano il Nucleo. Anzi, l’infrarosso evidenzia
una ZONA CALDA corrispondente al Centro. La riga gialla marca il Piano
Galattico
Grazie a osservazioni in varie bande dello spettro elettromagnetico,
oggi conosciamo molto della sua struttura del Centro Galattico stesso.
Sagittarius A, la
sorgente radio
emessa dalla zona
circostante l’enorme
buco nero del Centro
Galattico. Gli “Archi”
sono filamenti di
radiazione lunghi
anni luce
Sagittarius A ai raggi X, altra banda dello spettro elettromagnetico
che non è assorbita dalle nubi di gas attorno al Centro Galattico
I risultati delle moderne
osservazioni, comprese
quelle nelle alte energie, X
e gamma, confermano che al
centro della nostra Galassia
c’è un BUCO NERO della
massa di decine di milioni di
soli.
La materia che vi cade o vi orbita attorno emette una quantità enorme di
radiazione, in gran parte schermata dalla materia opaca attorno. È una
zona molto attiva: significa che la Via Lattea ospita un Nucleo Attivo?
No. LA Via Lattea ospita un Nucleo “relativamente” quieto (anche se la zona
del Centro Galattico è certamente inospitale ben poco salutare).
Per Nucleo Galattico Attivo (NGA, o AGN all’inglese) s’intende un nucleo
che emette radiazioni eccezionalmente intense su tutto lo spettro
elettromagnetico.
Es. la mostruosa galassia
gigante ellittica M87 ha un
nucleo “esplosivo”, pesante
2 miliardi di masse solari,
che lancia i suoi “getti” di
radiazione e di particelle
subatomiche a distanza di
migliaia di a.l.
La radiazione di un AGN è la conseguenza del precipitare di enormi masse
di materia attratte da un enorme buco nero al centro della galassia. Le
galassie ospiti (galassie attive), si distinguono in vari tipi.
Galassie di Seyfert, quasar e
blazar emettono radiazione
energetica (X, gamma). I
quasar, in particolare, sono gli
oggetti
più
luminosi
dell'universo conosciuto.
Le radiogalassie emettono più
onde radio del normale. In
genere hanno enormi lobi
simmetrici, da cui viene emessa
la gran parte della radiazione.
Alcune mostrano uno o due
getti (l'esempio più famoso è
M87) che escono dal nucleo
verso i lobi. I getti radio sono
manifestazioni visibili dei getti
di particelle.
Potrebbe la nostra Via Lattea
diventare una galassia attiva, come
ipotizza Fred Hoyle in un suo
romanzo di fantascienza? Sì, se vi
fosse improvvisamente una caduta
massiccia di materia verso il buco
nero. Ma è più facile che vi fosse
un AGN nel lontano passato: oggi
gran parte della materia che
doveva precipitare, lo ha fatto.
È più logico pensare che lo stato di
attività sia una prerogativa delle
galassie giovani (il che significa, da
un punto di vista osservativo, delle
galassie lontane)
Ma torniamo alla classificazione
delle galassie, non per età ma per
struttura
La classificazione, proposta da Hubble e ancora valida, contiene galassie:
•Ellittiche (da E0 a E7 a seconda della eccentricità): le E0 quasi
sferiche, le E7 schiacciate
•Lenticolari (S0) con struttura a disco e bulbo centrale, non sono
evidenti bracci di spirale
•Spirali (Sa, Sb, Sc, Sd) bulbo centrale e disco esterno che contiene
bracci di spirale da stretti (Sa) a molto aperti (Sc e Sd)
•Spirali barrate come le S, ma i bracci partono da una barra che
attraversa il bulbo (SBa, SBb…)
•Irregolari
Le differenze sono sostanziali, per storia e composizione. Un principio
generale è che da sinistra a destra si va verso rotazioni più veloci
ELLITTICHE
In presenza di grande massa e ad una scarsa velocità di rotazione la
materia si concentra di più. La rotazione accelera per effetto della
contrazione, ma quest’ultima prevale sulla forza centrifuga e, malgrado un
possibile schiacciamento a “lenticchia” della nube, si raggiungono
dappertutto densità elevate. Praticamente tutto il materiale viene
fagocitato dalla condensazione e contribuisce alla formazione di stelle. Alla
fine di questo processo non vi è quasi più gas interstellare. La formazione
stellare avviene quindi in un unico grande evento, all’inizio della vita della
galassia
Galassia
ellittica
supergigante
M87
SPIRALI
Se c’è una sufficiente velocità di rotazione della nube protogalattica,
questa si accentua quando la nube si contrae sotto l’effetto della gravità. I
moti rotatori si strutturano attorno ad un unico comune asse di rotazione,
con la conseguente formazione di un disco più o meno appiattito. Se la
rotazione è abbastanza veloce, l’equilibrio tra attrazione e forza centrifuga
si raggiunge prima che la contrazione aumenti fino alla densità critica per la
formazione stellare. Le stelle si formano nelle zone più dense (es. nel bulbo
centrale), ma non dovunque. Resta una considerevole quantità di gas
interstellare disponibile per successivi eventi di formazione stellare nel
corso successivo della vita della galassia.
Galassia spirale
NGC 7331
Questo materiale, per la gravità locale e per la dinamica della rotazione,
si struttura in bracci di spirale, dove si formeranno le future stelle. Le
stelle antiche hanno quindi una distribuzione più sferica, mentre quelle
delle generazioni successive sono spalmate sul disco
Le stelle di diversa
generazione sono
intrinsecamente
diverse: ciò permette
una classificazione
•
•
•
•
Le popolazioni stellari.
Il materiale originario è costituito da idrogeno ed elio. Le prime
stelle sono prive di elementi più pesanti: cominciano loro a
fabbricarli.
Tra le prime stelle se ne formano di molto massicce, giganti molto
dense e calde. Oggi non le vediamo più perché esse bruciano in
fretta ed esplodono arricchendo l’ambiente di elementi pesanti. Le
“giganti blu” che vediamo oggi sono di formazione recente.
Della Popolazione II sopravvivono oggi le stelle che hanno vissuto
più a lungo, cioè quelle di massa minore
Grazie al prodotto della prima generazione di stelle (Popolazione
II), il gas interstellare, che per lo più si addensa sul disco, contiene
elementi pesanti. Le stelle di seconda e terza generazione
(Popolazione I) che si formano con questo gas contengono già gli
elementi pesanti e attorno ad esse possono formarsi pianeti
rocciosi.
Siamo certi di questa storia e di questa classificazione? C’è una recente ipotesi su
una “POPOLAZIONE III”, ancora più antica della pop. II.
Prima ancora che si formassero vere e proprie galassie, la condensazione del gas
primordiale diede luogo a stelle gigantesche che funzionarono da punto di
accumulo per la materia circostante. Sono state loro i nuclei delle galassie?
Certo è che per la loro enorme massa bruciarono rapidamente ed esplosero come
enormi supernove, dando luogo al primo arricchimento di elementi pesanti. Poi non ci
fu più materiale sufficiente a formare stelle così grandi. La popolazione III è
scomparsa agli albori della Galassia
Come possiamo trovare traccia della loro passata esistenza? Forse in un
eccesso di radiazione infrarossa che pervade la nostra galassia …
Diversamente dalle
due immagini
precedenti, queste
descrivono dati reali.
La figura in basso
raffigura il fondo
diffuso di luce
infrarossa dopo che
è stata sottratta la
luce proveniente
dalle stelle attuali
(foto sopra)
Torniamo al presente. La nostra Via Lattea è quindi una Galassia a spirale
Sb (forse SBb, barrata?), con più di 100 miliardi di stelle, con un diametro
di più di 100.000 anni-luce. L’antica popolazione stellare (Pop II) compresi
gli ammassi globulari, è sparsa a simmetria sferica (Alone). Il Disco, dallo
spessore di 2000 anni-luce, è strutturato in bracci di spirale. Verso il
centro il disco si ingrossa nel Bulbo, spesso 16000 anni-luce. Al centro c’è
un buco nero con la massa di milioni di soli. ...e noi dove siamo?
Il Sole giace sul fianco interno del Braccio di Orione. Quando guardiamo
Orione, l’osserviamo attraverso le stelle del nostro stesso braccio di
spirale, verso il bordo esterno.
Un altro schema …
Sole
Se potessimo uscire fuori un attimo, vedremmo una cosa del genere.
Bulbo luminoso,
bracci di spirale con
stelle, nubi oscure e
nubi luminose (zone
di formazione
stellare)
nubi oscure, principalmente idrogeno neutro molecolare (regioni H I,
T = 100 K), nubi luminose di gas più caldo, princ. idrogeno ionizzato
(regioni HII, T = 10000 K) dalla radiazione stellare: la ricombinazione
dell’elettrone con il protone genera radiazione anche nella luce visibile
Potremmo anche accorgerci che ci troviamo in una galassia barrata…
… ancora non possiamo dirlo.
Potremmo avere la sorpresa di scoprirci … in una galassia storta!
Per effetti di marea. Il che darebbe ragione all’ipotesi che molte
grandi galassie si siano formate …
… In modo più
complicato di quanto vi
ho raccontato
COMUNICATO INAF 20-11-2008
“Risolto grazie a un gruppo internazionale di ricercatori, molti dei quali italiani e
dell’INAF, l’enigma di NGC 1569, una galassia piccola ma con una sorprendente attività di
formazione stellare, almeno cento volte maggiore della nostra Galassia. Nuove accurate
misure di distanza condotte grazie al telescopio spaziale Hubble hanno infatti mostrato che
NGC 1569 potrebbe non essere isolata come ritenuto finora, ma far parte di un gruppo di
galassie, le cui enormi forze di attrazione gravitazionale possono averla indotta a divenire
l’efficientissima fucina di stelle oggi osservata.”
Le galassie possono addirittura collidere
NGC 4676
Sono cose che succedono!
Galassie delle Antenne: in collisione,
formeranno una galassia gigante: i
due bulbi arancione circondano i due
nuclei originari. Giovani ammassi
stellari, con abbondanza di stelle
blu, testimoniano intensa
formazione stellare, favorita
proprio dalla collisione.
Anche la nostra grande Via Lattea
potrebbe essere il risultato di una o più
collisioni fra galassie minori
Coppia di galassie in interazione nella costellazione Eridanus, a 50 milioni di anniluce. La grande galassia spirale NGC1532, simile alla nostra per dimensioni, è
impegnata in una “zuffa” gravitazionale con la galassia minore NGC1531, che è
destinata a soccombere.
Ma forse per vedere un evento del genere…
non dobbiamo andare così lontano!
La galassia nana del Sagittario, qui a destra. La scia
di materiale strappato lungo la sua orbita attorno
alla nostra galassia indica che in futuro sarà
probabilmente inclusa nella Via Lattea. Le galassie
nane hanno una massa di 108-109 masse solari.
All’interrogativo sulla struttura della nostra Galassia potrà dare risposta
una mappa tridimensionale più precisa della Via Lattea.
Per ora sappiamo che:
Siamo in una galassia gigante a spirale, che presenta, come è suo dovere,
un’intensa attività di formazione stellare un po’ su tutto il disco.
Vicino a noi ad esempio c’è la grande Nebulosa di Orione
…che nella zona del
Trapezio mostra
intensa attività di
formazione
stellare.
Ricordiamo che la
materia del Disco è
già arricchita di
elementi pesanti
grazie
all’esplosione delle
stelle giganti di
prima generazione:
le nuove stelle sono
più “metalliche” di
quelle antiche
Tutto l’insieme ruota attorno al Centro Galattico, con velocità
differenziata. Verso la periferia la velocità (per il Sole 250 Km/s)
rallenta, ma meno di quanto ci si possa aspettare considerando il Centro
come unico attrattore: c’è molta massa anche in periferia.
Le stelle di Alone e gli Ammassi Globulari sono molto più lenti e con
direzioni più caotiche
Riassumendo:
1. il Disco brulica di stelle di tutte le età, molte ancora in formazione. La
maggior parte sono stelle di 2-a e 3-a generazione, ricche di “metalli”
2. Il Bulbo galattico e l’Alone sono la patria di stelle vecchie, specialmente
in quelle densissime “colonie” sparse nell’Alone: gli Ammassi Globulari,
particolarmente interessanti perché rappresentano l’archeologia della
Galassia, un po’ come gli Asteroidi e le Comete nel Sistema Solare.
M13
Così, abbiamo un’idea della struttura della nostra Galassia. Ma solo
qualitativamente.
Ci manca una mappa precisa, perché, se si possono misurare con precisione
le posizioni delle stelle sulla volta apparente, è molto più difficile misurare
le distanze radiali, indispensabili per costruire una mappa tridimensionale
Un primo passo è stato già compiuto
con il satellite Hipparcos, che ha
misurato le parallassi con la
precisione di 2 millesimi di secondo
d’arco. Questo significa che ha
misurato distanze fino a 500
parsec (1500 anni-luce): abbiamo
una mappa tridimensionale di una
sfera del raggio di 1500 anni-luce
col Sole al centro. Non è un gran
che rispetto alla Galassia (100 mila
anni-luce di diametro!) È un po’
come Borgo Pio rispetto all’area
racchiusa dal Raccordo.
Moto e posizioni delle Iadi
Ma Hipparcos ha un successore formidabile in preparazione: GAIA
osserverà oltre un miliardo di stelle. Per centinaia di milioni misurerà la
parallasse con precisione di pochi microarcosecondi. Mille volte meglio di
Hipparcos, e ciò significa arrivare a fare la mappa tridimensionale della
Galassia intera!
Lancio nel 2012, primi risultati nel 2016, catalogo nel 2020
Ci vediamo nel 2020 per la mappa 3d della Via Lattea …