Struttura ed evoluzione delle GalassieMassimo 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

•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)

Una delle risposte sta nel nome stesso. Ce ne sono altre …

San Giacomo e la Via Lattea sono nella tradizione dell’Europa mediterranea

Esta noche ha pasado Santiagosu camino de luz en el cielo.Lo comentan los niños jugandocon el agua de un cauce serenoDónde va el peregrino celestepor el claro infinito sendero?Va a la aurora que brilla en el fondoen caballo blanco como el hielo. Dice un hombre que ha visto a Santiagoen tropel con doscientos guerreros;iban todos cubiertos de luces,con guirnaldas de verdes luceros,y el caballo que monta Santiagoera un astro de brillos intensos. Dice el hombre que cuenta la historiaque en la noche dormida se oyerontremolar plateado de alasque en sus ondas llevóse el silencio. -Madre abuela, ¿cuál es el camino,madre abuela, que yo no lo veo? -Mira bien y verás una cintade polvillo harinoso y espeso,un borrón que parece de platao 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.

Federico García Lorca SANTIAGO (Balada ingenua) -1918

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 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;

Che cosa sappiamo oggi?

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 2001

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”.

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 107-108 K che emette raggi X.

Ammasso di galassie e immagine in raggi X

Dell’emissione di gas diffuso nell’ ammasso

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

NGC 4414

M87

Come si forma una galassia dalla nube primordiale1. 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

ELLITTICHEIn 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

SPIRALISe 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 anni-luce. 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 tridimensionaleUn 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 …