Guardando il buio cielo notturno, si vedono stelle sparse in tutte le direzioni. Potrebbero essercene alcune di più qui che là, ma in generale, le stelle sono distribuite più o meno uniformemente nel cielo notturno.

Tuttavia, se ti trovi in un punto particolarmente buio, vedrai una debole banda di luce nel cielo. E se si dovesse puntare un telescopio in direzione di questa banda, si vedrebbero molte molte più stelle.

Lo scienziato italiano Galileo Galilei fu il primo a farlo, confermando così la convinzione vecchia più di 2.000 anni che la banda, che per millenni era stata chiamata “Via Lattea” dal greco galaxías kýklos, fosse composta da innumerevoli stelle lontane.

Cominciò a formarsi l’idea che il sistema solare si trovasse in un ammasso appiattito di stelle, perché guardando lungo questo ‘disco’ si vede un’abbondanza di stelle, mentre se si guarda lontano dal disco se ne vedono di meno.

Oltre alle stelle, si vedeva una serie di macchie sfocate che si pensava si trovassero all’interno della Via Lattea. La gente credeva semplicemente che la Via Lattea fosse tutto ciò che esisteva – era l’intero Universo. Tuttavia, il filosofo tedesco Immanuel Kant propose che la Via Lattea fosse semplicemente il nostro Universo, mentre le macchie sfocate – o nebulose – erano distanti “universi isola”, lontani dal nostro.

A quel tempo, tali pensieri erano solo speculazioni, ma con l’introduzione della macchina fotografica e dei grandi telescopi, gli astronomi si resero conto, solo 100 anni fa, che la nostra galassia – che gli universi isola sono chiamati oggi – è solo uno di un numero apparentemente infinito di ammassi di stelle che orbitano l’una attorno all’altra e sono tenuti insieme dalla forza di gravità.

Mentre la distanza tra le stelle all’interno di una galassia è tipicamente di pochi anni luce, le distanze tra le galassie si misurano in milioni di anni luce. Tra le galassie non c’è praticamente nulla – circa 1 atomo per metro cubo.

Le galassie più piccole ospitano qualche milione di stelle, mentre le più grandi ne comprendono trilioni. La Via Lattea, che può essere considerata una galassia tipica, contiene alcune centinaia di miliardi di stelle.

In questo articolo, spiegherò cos’è una galassia, di cosa è fatta e quali tipi diversi esistono. In un successivo articolo di ScienceNordic, esamineremo come le galassie sono state create in primo luogo.

Di cosa sono fatte le galassie?

Cinque o sei cose possono essere indicate come gli elementi costitutivi delle galassie: stelle, gas, polvere, buchi neri supermassicci, materia oscura e, forse, pianeti.

Le stelle, come descritto sopra, sono abbondanti. Le stelle vivono a lungo, ma non per sempre. Quando esauriscono il loro carburante e muoiono, si lasciano dietro nane bianche, stelle di neutroni o buchi neri.

Ma, anche se in generale sono le stelle che ci permettono di vedere le galassie, in realtà rappresentano solo una piccola frazione della massa totale della galassia.

Le stelle sono fatte di gas, ma tra le stelle – nel cosiddetto mezzo interstellare – risiedono anche grandi quantità di gas.

Nelle piccole galassie, ci può essere tanto gas interstellare quanto gas stellare, mentre la frazione diminuisce con le dimensioni della galassia.

Il mezzo interstellare si divide in diverse fasi. Alcune regioni sono diffuse ed estremamente calde, con temperature di milioni di gradi. In queste regioni, il gas è ionizzato, il che significa che la maggior parte degli atomi hanno avuto uno o più elettroni strappati via a causa dell’alta temperatura.

Altre regioni sono più dense e fredde, intorno ai 10.000 K.

Più il gas è caldo, più alta è la pressione, e più si espande (questo è lo stesso meccanismo che fa salire una mongolfiera).

Inversamente, se il gas si raffredda notevolmente (a circa 100 gradi Kelvin, o -170 °C), si formano nubi molecolari molto dense e fredde. È qui che si formano nuove stelle!

Nel Big Bang, praticamente solo gli atomi di idrogeno ed elio sono stati creati, di cui ho scritto di più nell’articolo Il Big Bang – un resoconto da testimone oculare.

Ma quando le stelle bruciano e muoiono, restituiscono parte del loro gas al mezzo interstellare – solo che ora è inquinato da elementi più pesanti (che gli astronomi generalizzano affettuosamente chiamandoli tutti ‘metalli’, anche se potrebbe suonare discordante ai chimici).

Oggi circa il due per cento della massa totale di gas è stato trasformato in metalli, e circa un terzo di questi metalli si sono raggruppati come polvere.

Pianeti – una frazione trascurabile della galassia

Quando nasce una stella, un disco di gas e polvere si forma intorno ad essa. La polvere può raggrupparsi, formando rocce che, a loro volta, formano rocce più grandi che possono finire per diventare pianeti.

Nel bilancio totale della massa, i pianeti giocano un ruolo sempre più piccolo, ma sono probabilmente necessari per l’esistenza della vita, quindi sono comunque molto interessanti.

Dalla scoperta dei primi pianeti fuori dal nostro sistema solare, appena 25 anni fa, è diventato evidente che la maggior parte delle stelle hanno pianeti. Oggi conosciamo più di 4.000 esopianeti (cioè pianeti che orbitano intorno a stelle diverse dal nostro Sole).

Buchi neri supermassicci e materia oscura

Al centro della maggior parte delle galassie risiede un “buco nero supermassiccio”. Questi buchi neri possono pesare milioni o miliardi di volte la massa del Sole (in astronomia tutto è così massiccio che misurare le cose in grammi o chilogrammi diventa impraticabile, così invece usiamo le masse solari, che è circa uguale a due miliardi di miliardi di trilioni di chilogrammi).

Per quanto riguarda la gravità, il loro contributo è piuttosto insignificante rispetto al resto della galassia, ma per un po’ il nero può generare un “nucleo galattico attivo”, o un quasar, che può far saltare fuori dalla galassia una parte sostanziale della materia della galassia.

A volte questi quasar possono evacuare la galassia di gas a tal punto da bloccare la formazione di nuove stelle.

Tuttavia, quello di cui abbiamo sentito parlare finora costituisce solo circa 1/6 della massa totale. La maggior parte della massa di una galassia è infatti qualcosa di completamente diverso, cioè la materia oscura.

La materia oscura differisce dalla materia “normale” in quanto interagisce solo gravitazionalmente. Questo significa che non è influenzata dalle forze elettromagnetiche o nucleari, né le esercita, quindi non può emettere luce e non può scontrarsi con altre cose.

È proprio perché non emette luce che la chiamiamo materia oscura. Non possiamo vederla; vediamo solo l’effetto che ha sulle cose che possiamo vedere, poiché interagisce gravitazionalmente con la materia luminosa.

La materia normale può raffreddarsi e diventare una galassia densa, ma la materia oscura ha più difficoltà a raggrupparsi, e quindi si trova in un “alone” molto più grande intorno alla parte visibile della galassia.

Quindi, ciò che vediamo come una galassia è in realtà solo una frazione di ciò che una galassia è realmente. Questa figura mostra le dimensioni approssimative delle componenti della Via Lattea.

Zoo delle galassie

Le galassie si presentano in una varietà di forme e aspetti, ma in generale possiamo organizzarle in tre classi:

1. Galassie a spirale
2. Galassie ellittiche
3. Galassie irregolari

Tutte queste classi hanno però dei sottogruppi, e alcune galassie sono anche un po’ hors catégorie.

L’aspetto di una galassia si chiama morfologia. Se vogliamo studiare l’evoluzione delle galassie, è pratico classificarle secondo il loro tipo, ma molto spesso, è un po’ soggettivo come classificare morfologicamente una galassia, poiché non ci sono confini chiari tra i diversi tipi.

Se vuoi aiutare gli astronomi a classificare le galassie, puoi visitare galaxyzoo.org e aiutarci a decidere.

Anche l’anno scorso, i risultati di questo astro-crowdsourcing hanno portato gli astronomi a rivedere la nostra comprensione di come si comportano i bracci delle galassie a spirale (vedi questo video per un ripasso).

Ma diamo uno sguardo più da vicino ai diversi tipi di galassie.

Le magnifiche galassie a spirale

Secondo me, le galassie a spirale sono le più belle. Caratterizzate da un “bulge” rossastro centrale e da una serie di bracci a spirale bluastri che si trovano in un disco piatto, ruotano maestosamente con periodi di alcuni 100 milioni di anni.

I bracci a spirale contengono solo circa 2-3 volte più stelle che in mezzo ad essi, ma poiché la formazione stellare attiva avviene in queste regioni, esse sono molto più luminose. Poiché le stelle massicce – che brillano di una luce blu ma si bruciano velocemente – sono ancora qui intorno, i bracci appaiono blu.

Circa due terzi delle galassie a spirale hanno una struttura a barra che si estende dal bulge. La barra è probabilmente una sorta di onda di densità, come lo sono i bracci a spirale, in grado di ‘risucchiare’ gas dai bracci a spirale circostanti, che può poi essere utilizzato per da nuove stelle.

Questo gas può anche alimentare un buco nero supermassiccio nel centro della galassia, facendola diventare un nucleo galattico attivo o un quasar.

Gianti dell’Universo: Galassie ellittiche

Le galassie ellittiche sono, secondo noi, il risultato della fusione di molte galassie più piccole (proto-). Durante queste collisioni, il tasso di formazione stellare aumenta drammaticamente e si vedono una o più “esplosioni stellari”.

La violenta formazione stellare può esaurire la maggior parte del gas in un colpo solo. La collisione stessa, così come i venti stellari e le supernovae spazzano via il resto del gas, così che la formazione di nuove stelle diventa difficile. Così, rimangono solo le vecchie stelle, e poiché le vecchie stelle sono rosso-arancio, questo è il colore della maggior parte delle galassie ellittiche.

Quindi, questo cosiddetto quenching lascia dietro di sé una galassia rossa e ‘morta’.

Le più grandi galassie dell’Universo sono ellittiche, con masse fino a dieci volte quelle della Via Lattea. Questi mostri galattici spesso risiedono al centro di grandi ammassi di galassie, cioè collezioni di centinaia o migliaia di galassie, tenute insieme dalla gravità.

… e poi ci sono tutti gli altri tipi di galassie

Alcune galassie, in particolare quelle più piccole, non sono né ellittiche né a disco, ma hanno una forma completamente diversa. Queste galassie sono chiamate galassie irregolari.

La forma irregolare è spesso dovuta a collisioni, o quasi collisioni, con altre galassie.

Le galassie irregolari sono tipicamente piccole, poiché le galassie più grandi sono meglio equipaggiate per resistere agli scuotimenti e alle agitazioni di altre galassie.

Un altro tipo sono le galassie lenticolari, una sorta di combinazione tra ellittiche e spirali: Esse mostrano una certa struttura a spirale, ma anche un chiaro alone ellittico.

Più una galassia è grande e massiccia, meno è comune. La maggior parte delle galassie sono quindi galassie nane, che possono essere ulteriormente classificate in spirali nane, ellittiche nane, irregolari nane e sferoidali nane.

Le galassie ad anello hanno un bulge proprio come le galassie a spirale, e una struttura ad anello stellare più grande. Potrebbero essersi formate da un’altra galassia che vola dritta attraverso una galassia a spirale, ma sono molto rare e quindi non troppo ben studiate.

Recentemente, gli astronomi hanno trovato la finora più lontana di queste strane galassie con la prova di un ‘hit-and-run’ cosmico avvenuto 11 miliardi di anni fa.

Come questi enigmatici ammassi di stelle, gas, polvere e materia oscura siano stati creati è una storia più lunga, che potrai leggere in un articolo successivo qui su ScienceNordic.

Leggi la versione danese su Forskerzonen di Videnskab.dk. Grazie a Guarn Nissen per i suggerimenti e le modifiche durante la mia traduzione del testo dal danese all’inglese.

Profilo di Peter Laursen (Niels Bohr Institute, Università di Copenhagen)

Peter Laursen’s homepage

‘The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

‘The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

‘Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

‘Tracciare la massa stellare in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

‘Una galassia gigante nel giovane universo con un anello massiccio’, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7