Galassie e nebulose

galassie e nebulose

Aggregati di stelle, polveri e gas

In una notte buia, lontani dalle luci delle città e in assenza di Luna, è possibile ammirare uno spettacolo davvero straordinario: l'apparire della Via Lattea, una scia luminosa e biancastra che attraversa il cielo notturno. Quella strana scia che ha affascinato gli uomini di tutti i tempi non è, come vuole la leggenda, formata dalle gocce di latte uscite dal seno della dea Giunone, ma la nostra galassia. Le stelle dell'Universo infatti non sono uniformemente distribuite nello spazio, ma si raggruppano in strutture che prendono appunto il nome di galassie

La nostra galassia

Se potessimo vedere la Via Lattea da lontano ci accorgeremmo che essa è simile a molte altre galassie e che, al pari di esse, è una gigantesca spirale di stelle con un nucleo centrale. Tutte le stelle, compreso il nostro Sole, sono contenute in uno spesso disco. Quando guardiamo nella direzione del centro del disco della nostra galassia, più o meno cioè in direzione della costellazione del Sagittario, vediamo una concentrazione di stelle molto maggiore di quando guardiamo in altre direzioni del cielo: si tratta proprio di quella scia luminosa e biancastra cui venne anticamente dato il nome di Via Lattea. Fu Galileo Galilei il primo ad accorgersi, grazie al suo cannocchiale, che la Via Lattea è formata da tante stelle molto fitte.

La nostra galassia è nata circa 14 miliardi di anni fa da una gigantesca palla di gas che, spinta dalla forza di gravità, si chiuse al centro fino a formare il disco sottile, provvisto di un nucleo centrale, nel quale oggi noi viviamo. Contiene circa 100 miliardi di stelle e, ruotando su sé stessa, esegue un giro completo in circa 220 milioni di anni. Volendo fare un'analogia con la Terra che gira su sé stessa una volta al giorno, si può dire che la 'giornata' galattica dura 220 milioni di anni e che la nostra galassia è vecchia 64 giorni galattici! Lo spessore della galassia è circa 500 anni luce, relativamente sottile rispetto al diametro (circa 100.000 anni luce). Un raggio di luce, che copre in poco più di 1 secondo la distanza Terra-Luna, impiega 100.000 anni per attraversare tutta la Galassia. Il Sole è collocato in posizione periferica, a una distanza dal centro pari a circa 2/3 del raggio.

Ma le galassie non sono fatte solamente di stelle. Oggi sappiamo che lo spazio fra le stelle è popolato da nubi di polveri e gas che, in alcuni casi, danno origine a immagini suggestive. Grazie ai moderni telescopi possiamo ammirare ciò che un tempo non si poteva neppure immaginare, come la straordinaria nebulosa Testa di Cavallo ‒ costituita in buona parte da materiale interstellare ‒ dove la luce rossa e azzurra dietro la testa del cavallo proviene da gas luminescenti.

Le nebulose

Nell'Universo sono presenti un po' ovunque regioni di spazio ricche di gas e polveri che prendono il nome di nebulose. Un tempo venivano chiamati nebulose oggetti che, grazie a telescopi sempre più potenti, si sono poi rivelati come galassie. Esistono nebulose di diversi tipi: diffuse, planetarie e oscure.

Le nebulose diffuse. Sono nubi brillanti di gas e polveri e sarebbero invisibili se a illuminarle non ci fossero le stelle. Una delle nebulose più facili da osservare è quella di Orione, una vera e propria fucina di stelle. Per vederla è sufficiente osservare con un binocolo sotto la cintura del gigante disegnato nel cielo dalle stelle della costellazione di Orione. Questa nebulosa deve la propria luminosità a quattro stelle giovani che si trovano al suo interno e che prendono il nome di trapezio: hanno solo 100.000 anni di vita, e nelle loro vicinanze ne stanno nascendo altre.

Grazie al telescopio spaziale Hubble oggi possiamo ammirare le immagini di altre nebulose diffuse, dalla forma inconsueta, come la nebulosa dell'Aquila, che presenta alte colonne di gas che si stagliano nel cielo e nelle quali stanno nascendo nuove stelle.

Le nebulose planetarie. Si chiamano così perché al telescopio assomigliano un po' a pianeti, con i quali però non hanno proprio nulla a che fare. Si pensa che siano residui di violente esplosioni avvenute nel passato in seguito alla morte di stelle simili al nostro Sole. Questi corpi celesti concludono la propria esistenza trasformandosi in gigantesche stelle di colore rosso: quando ciò avverrà al nostro Sole, le sue dimensioni saranno tali che avrà inglobato il nostro pianeta. Queste stelle prendono il nome di Giganti rosse e cominciano a espellere gli strati più esterni del loro involucro dando origine agli anelli gassosi che faranno parte della nebulosa planetaria. Una delle nebulose planetarie più famose è quella nota come Anulare (M57).

Le nebulose oscure. Sono nubi di gas e polvere talmente dense da nascondere le stelle che si trovano al di là di esse. Le zone oscure che si osservano nella Via Lattea corrispondono proprio a nebulose di questo tipo.

Una, nessuna e cento miliardi

Tra il Settecento e l'Ottocento gli astronomi inglesi Frederick e John Herschel, padre e figlio, eseguirono i primi conteggi di stelle e costruirono un modello della nostra galassia, immaginata come un disco con il Sole al centro. Gli Herschel iniziarono una classificazione sistematica delle nebulose, pur non sapendo che molte di esse erano oggetti extragalattici: da tali studi altri astronomi trassero in seguito il catalogo NGC (New general catalogue) nel 1888, comprendente tutti gli oggetti di aspetto debole e nebulare noti a quel tempo.

Per molti anni ancora, gli astronomi continuarono a credere che la Via Lattea coincidesse praticamente con tutto l'Universo. Avevano osservato strane 'nuvolette' nello spazio, ma credevano si trattasse semplicemente di polvere interstellare. Così chiamavano nebulose a spirale alcuni di questi oggetti, che si sarebbero rivelati in seguito come galassie, perché non riuscivano a vedere le stelle che le formavano. Soltanto negli anni Venti del Novecento, grazie a telescopi sempre più potenti, gli astronomi riuscirono a vedere le stelle che formavano quelle strane nuvole dell'Universo.

Nel 1925 con un telescopio molto più potente dei precedenti l'astronomo americano Edwin Hubble scoprì che la nebulosa che si vede dietro alla costellazione di Andromeda è un'altra galassia simile alla nostra. Ancora oggi alcuni continuano a chiamare questa galassia nebulosa di Andromeda. La galassia di Andromeda si può osservare nel cielo anche a occhio nudo o, ancora meglio, con un semplice binocolo. Essa si trova a circa 2 milioni di anni luce e, quindi, se la osserviamo nel cielo questa sera, la vedremo come era 2 milioni di anni fa! Nel cielo australe sono visibili a occhio nudo altre due galassie: La Piccola e La Grande Nube di Magellano. Hubble suddivise le galassie in tre principali categorie: a spirale, a spirale barrata ed ellittiche. Questo sistema di classificazione, con alcune modifiche, è usato ancora oggi. Hubble non si accontentò di scoprire che ci sono altre galassie nell'Universo, ma dimostrò anche che le galassie si allontanano tra loro.

Oggi sappiamo che le galassie dell'Universo sono circa 100 miliardi e che tutte si allontanano sempre di più le une dalle altre. Questo fatto ha portato gli astronomi a pensare che l'Universo sia nato proprio da un grande scoppio, il celebre big bang (Universo e teorie cosmologiche).

Ammassi di galassie, scatole cinesi nell'Universo

La galassie non sono distribuite uniformemente nello spazio, ma si raggruppano in famiglie. La nostra galassia, per esempio, appartiene a un gruppo che ne contiene circa 30 in uno spazio di 3 milioni di anni luce. Questa famiglia di galassie prende il nome di gruppo locale. Delle galassie del gruppo locale solo tre sono grandi: la Via Lattea, la galassia di Andromeda e la galassia a spirale M33.

I gruppi di galassie fanno parte di un insieme più ampio che prende il nome di ammasso di galassie e che, a sua volta, appartiene spesso a un superammasso di galassie.

Il gruppo locale, per esempio, fa parte della famiglia più vasta che si chiama ammasso locale ed è contenuto nel superammasso locale. Insomma è come se alle galassie non piacesse starsene da sole e si fossero perciò organizzate in un sistema di smisurate scatole cinesi.

Diversi tipi di galassie

Le galassie possono essere molto diverse per dimensione, forma e massa. Ci sono piccole galassie che contengono solo alcuni milioni di stelle e che non superano i 1.000 anni luce, ma esistono anche galassie con migliaia di miliardi di stelle, con un'estensione di centinaia di migliaia di anni luce.

La forma delle galassie non è sempre a spirale come quella della nostra, in quanto esistono galassie di moltissime forme: alcune sono ellittiche, altre elicoidali, una ha addirittura la forma di un sombrero, che ne determina il nome!

Le galassie a spirale come la nostra hanno la forma di un disco che ruota attorno al proprio asse. Nei bracci di tali galassie si trovano anche gas e polveri e, proprio per questo, qui si formano spesso nuove stelle. Nei bracci delle galassie a spirale le stelle sono solitamente più giovani di quelle che si trovano invece nel nucleo. La forma delle galassie a spirale, come la nostra, varia molto a seconda del punto di osservazione. Viste dall'alto mostrano la forma a spirale dei bracci, ma viste lateralmente mettono in mostra il grande nucleo centrale e, a volte, una spessa striscia scura dovuta a uno strato di polveri.

Le galassie ellittiche hanno forma simile a un pallone da football americano, sono generalmente povere di gas e contengono prevalentemente stelle vecchie. Esistono anche galassie, dette lenticolari, che stanno a metà fra le galassie a spirale e quelle ellittiche. In pratica assomigliano alle galassie a spirale senza i caratteristici bracci.

Molte galassie hanno in realtà una forma irregolare e talvolta la forma di una galassia può essere modificata dalla forza di gravità esercitata da una galassia vicina. Qualche volta due galassie si scontrano, ma non è un fenomeno cruento. Infatti le dimensioni delle stelle di una galassia sono molto piccole rispetto alla loro reciproca distanza. È molto difficile quindi che le stelle di galassie diverse che si compenetrano si scontrino effettivamente fra loro: le due galassie, insomma, passano l'una attraverso l'altra senza danni reciproci.

Nelle galassie ci sono però anche nubi di gas abbastanza grandi da potersi scontrare davvero. Capita anche che una galassia sia molto più grande dell'altra e che quindi la maggiore catturi la più piccola con la sua forza di gravità. In questi casi gli astronomi parlano scherzosamente di galassie cannibali.

Hubble Deep Field, galassie fitte come stelle

Utilizzando i 342 diversi fotogrammi dell'immagine Hubble deep field, la più profonda rappresentazione dell'Universo ripresa col telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno evidenziato ben 1.500 galassie. Queste galassie potrebbero sembrare a prima vista stelle, ma nella realtà ciascuna di esse contiene mediamente 100 miliardi di stelle. Alcune di queste galassie, che appaiono nell'immagine come minuscole macchie, sono lontane 10 miliardi di anni luce. È straordinario pensare che la luce raccolta dal telescopio spaziale aveva fatto solo metà strada al tempo in cui la Terra stava nascendo. In effetti i telescopi funzionano un po' come macchine del tempo perché quando osservano oggetti lontani miliardi di anni luce catturano immagini di quegli oggetti come erano miliardi di anni fa. Così, confrontando galassie molto lontane con galassie vicine è possibile capire come evolvono nel tempo.

Cosa succede nelle galassie?

In genere la distanza fra le stelle di una galassia è di vari anni luce, per cui si potrebbe pensare che le galassie siano poco 'popolate'. In realtà fra stella e stella non c'è un vuoto perfetto ma esiste un gas estremamente rarefatto, che contiene circa un atomo ogni centimetro cubo di spazio. Si tratta principalmente di idrogeno con tracce di elio, ossido di carbonio, metano, ammoniaca, vapore acqueo. Per capire quanto questo gas sia rarefatto basta pensare che in 1 cm³ di aria ci sono circa dieci miliardi di miliardi (10¹⁹) di atomi; invece nello spazio interstellare di 1 dm³ ci sono solo 1.000 atomi (10³) di idrogeno, con una massa pari a un miliardesimo di miliardesimo di milligrammo! Quei pochi atomi si muovono continuamente alla velocità di vari chilometri al secondo e, a causa della loro velocità, tendono a sfuggirsi, mentre la forza di gravità tende ad avvicinarli e condensarli in nubi. Mescolati al gas interstellare si trovano anche granelli di polvere, composti in prevalenza da silicati (silicio) e grafite. Le stelle nascono all'interno di queste nubi ogniqualvolta, in un punto, la materia si condensa a sufficienza. Dove gli atomi si condensano diventa maggiore la forza di gravità e quindi il fenomeno di attrazione non si arresta, ma coinvolge altri atomi che tendono a dirigersi verso il centro di massa, iniziando un processo di aggregazione che dura circa un milione di anni e che genera una nuova stella. In questo modo, all'interno delle galassie, si crea una nuova stella più o meno ogni mese; perciò, anche se i tempi galattici sono molto lunghi rispetto alla nostra vita, le galassie sono luoghi dove l'attività della materia ferve.

La materia oscura

Per studiare una galassia gli astronomi possono usare diversi metodi. Il più diretto consiste nell'osservare le galassie con telescopi di vario genere. L'altro si basa sul fatto che la materia esercita un'attrazione gravitazionale e quindi manifesta la sua presenza influenzando il moto degli astri.

Per esempio, il pianeta Nettuno fu individuato inizialmente perché perturbava il moto di Urano e solo successivamente fu osservato direttamente con un telescopio. Qualcosa di simile avviene con i buchi neri, la cui presenza, al centro delle galassie, può essere stabilita misurando il moto di gas e stelle nelle regioni centrali delle galassie stesse. Gli astronomi non vedono direttamente il buco nero, ma ne intuiscono l'esistenza osservando che gas e stelle, quando si avvicinano a una certa regione, si comportano come se lì ci fosse un oggetto di massa molto grande capace quindi di esercitare una fortissima attrazione gravitazionale.

Quello dei buchi neri non sembra essere un caso isolato: secondo calcoli teorici e osservazioni fisiche il 90% della materia presente nell'Universo non emetterebbe radiazione elettromagnetica osservabile. Questa materia di cui si prevede l'esistenza, ma che non si riesce a 'vedere', prende il nome di materia oscura.

Chi ha dato il nome alle galassie?

Alcune nebulose e galassie, come la nebulosa di Orione oppure la galassia di Andromeda, prendono nome dalla costellazione che si trova in quella porzione di cielo dove appaiono. Tuttavia in molti casi per indicare gli oggetti celesti si usa ancora la lettera M seguita da un numero. Di cosa si tratta?

La lettera M sta per Messier, il cognome dell'astronomo francese Charles Messier (18°-19° secolo) che aveva la passione di osservare le comete. Per semplificare i suoi studi, egli decise di compilare un catalogo degli oggetti celesti debolmente luminosi. Molti di questi oggetti sono stati classificati come galassie a distanza di anni, ma hanno continuato a portare il nome che l'astronomo francese aveva scelto per loro pur non sapendo di cosa si trattasse. La galassia di Andromeda, per esempio, nel catalogo di Messier prende il nome di M31.

Galassie attive

In genere da Terra noi vediamo la luce emessa dalle stelle presenti nella galassia. Tuttavia esistono galassie molto più luminose della nostra, la cui luminosità ha una diversa origine. Si chiamano galassie attive e la loro luce proviene dal nucleo, dove probabilmente si trova anche un buco nero; tuttavia ancora non è chiara la dinamica del processo che alimenta questo fenomeno di intensa produzione di onde elettromagnetiche. Una galassia su dieci si comporta in questo modo bizzarro e forse anche la nostra ha attraversato questa fase.