Gli animali, in particolare quelli in tenera età, hanno un’inclinazione naturale ad esplorare l’ambiente che li circonda. Nel corso degli anni ognuno di noi è stato esortato dalla curiosità e spesso anche dalla necessità ad espandere i propri orizzonti ed a visitare luoghi la cui raggiungibilità era considerata improbabile o persino impossibile.

A volte la medesima sensazione può essere riassaporata anche in età adulta, per esempio nel tentativo di giungere a casa attraverso la tangenziale con lo sciopero dei mezzi nell’ora di punta. Quando si tratta di grandezze astronomiche, tuttavia, la rivelazione di scenari cosmici mai contemplati, sempre più immensi e maestosi, è in grado di suscitare una meraviglia ed uno stupore persino maggiori, suggerendo l’autentico rapporto di dimensioni fra il nostro pianeta sperduto e le enormi profondità dello spazio. Lo spettacolo risultante è senza dubbio suggestivo, ottenibile attraverso strumenti quali telescopi e sonde spaziali, senza abbandonare la nostra Terra e senza nemmeno pagare un canone. Niente male.

L’evoluzione dei dispositivi tecnologici ha consentito inizialmente di avvistare i corpi celesti e gli altri pianeti in rivoluzione attorno al Sole; successivamente è stato possibile oltrepassare i confini del nostro sistema planetario e giungere ad una visione panoramica dell’intero ammasso di astri, gas interstellare e corpi opachi nel quale siamo contenuti, ed in cui la posizione di osservazione non risulta altro che un luogo periferico, ai confini dello spazio vuoto che ci separa progressivamente da ogni altro oggetto cosmico presente nell’Universo.

Tale ammasso vorticoso nel quale è incluso il pianeta Terra costituisce la nostra galassia, la cosiddetta Via Lattea.

La descrizione del processo di formazione delle galassie rappresenta una questione trattata da intere generazioni di esperti; nel corso del Novecento quest’ambito di ricerca è stato notevolmente influenzato dall’adozione da parte della comunità scientifica del cosiddetto modello standard della Cosmologia, un sistema concettuale in grado di analizzare la geometria globale dello spazio – tempo e le sue perturbazioni. Tali mutamenti nella nostra visione del cosmo, infatti, hanno inciso considerevolmente sul modo di intendere l’origine delle galassie: qualche decennio fa i sistemi galattici erano il mezzo principale per dedurre informazioni sulla totalità dell’Universo, invece attualmente le osservazioni del cielo forniscono conferme sperimentali ai modelli cosmologici in modo sostanzialmente indipendente dalle proprietà delle galassie.

Sembra proprio che la formazione delle galassie costituisca soltanto una minuscola porzione dell’evoluzione dell’Universo a partire dal Big Bang. Come se non bastasse, un altro fenomeno sembra ridimensionare la rilevanza della questione: secondo le concezioni astrofisiche più recenti, l’insieme delle galassie presenti nel cosmo, la parte preponderante della materia luminosa o barionica, contribuisce soltanto per il 4% della massa totale presente nell’Universo; la porzione rimanente di materia sarebbe formata dal 22% di materia oscura e dal 74% da una forma ignota di energia oscura, entrambi costituenti che non rientrano direttamente nel materiale costituente le galassie.

Una panoramica delle galassie situate nel cielo profondo ottenuta dal telescopio spaziale Hubble

Quindi l’analisi dei sistemi galattici sarebbe un passatempo equivalente ad un sudoku sotto l’ombrellone?

Non proprio. In primo luogo esaminare l’origine delle galassie ed in particolare della Via Lattea significa comprendere per quale ragione si siano costituite le strutture che hanno condotto alla generazione del sistema solare, compresa la la nostra piccola Terra. Inoltre, l’astrofisica delle galassie è un fenomeno complesso e suggestivo, difficilemente semplificabile, paragonabile alla nascita delle prime forme di ecosistemi nell’ambiente cosmico; secondo le teorie contemporanee, anche la materia oscura assume un ruolo fondamentale nell’origine dei sistemi galattici, in quanto agisce da “impalcatura” e sostegno per l’aggregazione del materiale luminoso.

Una struttura efficace ed invisibile: la Natura è un valente architetto, dopotutto.

Lo stadio iniziale della formazione delle galassie è l’aggregazione di materia non barionica, invisibile, discendente dalle irregolarità pregresse nella distribuzione della materia nel cosmo; queste ultime si erano formate precedentemente a causa degli inesorabili processi microscopici di agitazione dello spazio - tempo descritti dalla Meccanica quantistica. Gli aloni di materia oscura risultanti sono stabili, in quanto l’attrazione gravitazionale fra le porzioni dell’ammasso si rivela compensata dal moto delle singole particelle. Questo ambiente fornisce l’“humus” ideale per fertilizzare il terreno cosmico: gli aloni oscuri risultano in grado di inglobare la materia luminosa in viaggio nello spazio interstellare e di provocarne la caduta verso il centro dell’ammasso, innescando il vortice gravitazionale responsabile della formazione della spirale galattica.

La composizione sovrastante mostra tre differenti componenti della panoramica COSMOS di Hubble: la materia ordinaria, in rosso, analizzata principalmente dal telescopio XMM – Newton dell’Agenzia Spaziale Europea, la materia oscura, in blu, nonché le stelle e le galassie, in grigio, osservate in luce visibile attraverso Hubble.

Crediti: NASA, ESA e R. Massey (California Institute of Technology)

Successivamente un alone di materia oscura è in grado di unirsi ad altri ammassi oscuri circostanti, determinando i moti locali che si osservano a livello delle singole galassie: per esempio, le Nubi di Magellano rappresentano degli enormi satelliti della Via Lattea.

Anche la formazione della Via Lattea, analoga a quella di ogni altra galassia presente nel cosmo, risulta simile al processo, su scala ridotta, che ha condotto alla formazione del sistema solare: un’enorme nube di gas primordiale, attraversando le epoche successive all’inizio dell’espansione dell’Universo, si è condensata attorno ad un nucleo centrale di rotazione.

In seguito, il collasso gravitazionale ha completato l’opera, generando un vortice di materia attorno al nucleo originario di condensazione e conferendo alla nostra galassia la caratteristica forma a spirale,un aspetto usuale e comune per questo genere di oggetti celesti. Il fenomeno può essere compreso riferendosi ad un rilassante bagno caldo: togliendo il tappo dal fondo della vasca, l’acqua viene attratta per effetto della gravità all’interno delle tubature sottostanti e genera un mulinello rotante a causa del moto impresso alle particelle dall’accelerazione creatasi.

Per quanto riguarda le caratteristiche generali, la Via Lattea costituisce una galassia a spirale piuttosto ordinaria, dotata di bracci di materia ruotanti attorno a un nucleo centrale. La struttura è simile ad un’enorme giostra per bambini, dalla quale la Terra non scenderà per almeno altri cinque miliardi di anni: per i pianeti il bel gioco può durare anche a lungo. La luminosità della Galassia, tuttavia, risulta notevole: utilizzando quale riferimento il Sole, la magnitudine del nostro sistema galattico è paragonabile a quella di dieci miliardi di soli aggregati insieme e la sua massa è uguale a circa duecento miliardi di masse solari.

Immagine della Via Lattea in luce visibile dalla Terra

La Galassia presenta la forma di un gigantesco disco molto sottile, detto piano galattico, dal diametro di circa 100000 anni luce; il Sole si trova a circa metà strada dal nucleo galattico. In corrispondenza del bordo estremo lo spessore del disco non supera i 3000 anni luce, mentre al centro del disco la distribuzione si espande e si osserva un rigonfiamento sferico, il nucleo,la cui composizione resta prevalentemente ignota. Determinate teorie indicano che al centro di galassie quali la Via Lattea esistano immensi buchi neri supermassivi, vortici gravitazionali dotati di masse persino pari ad un miliardo di Soli, in grado di attrarre con efficacia il materiale di composizione del sistema galattico. Lo spessore del nucleo raggiunge i 15.000 anni luce. Gas e polveri formano uno strato sottile all'interno di un disco più spesso popolato di stelle: qui si trovano le immani nebulose di idrogeno molecolare, dalle quali si originano costantemente nuove stelle.

Il disco galattico è avvolto poi da un grande volume sferico, l'alone galattico. Il suo diametro è di circa 100.000 anni luce e appare quasi interamente privo di nubi di gas e polveri ma popolato da stelle isolate e da brillanti ammassi sferici, gli ammassi globulari. Costituiti da stelle molto più vecchie degli astri presenti nel disco, questi ammassi sono considerati i residui dei primissimi stadi di formazione della Galassia.

La Via Lattea si caratterizza anche per i grandi bracci, costituiti da concentrazioni di stelle e gas interstellare, i quali partono dal suo centro e si avvolgono a spirale attorno ad essa. I bracci ospitano la maggior parte dell'attività di formazione stellare. Il braccio più esteso della Galassia presenta una lunghezza totale di circa 125000 anni luce.

Immagine laterale del disco galattico spiraliforme della Via Lattea; una stella indica la posizione del sole all’interno di uno dei bracci laterali

Le mappe galattiche

L’analisi della morfologia complessiva e dei dettagli astrometrici della nostra galassia si avvale di numerosi strumenti ed innovative qualità di telescopi, ideati e perfezionati progressivamente grazie all’evoluzione delle competenze tecnologiche applicate all’Astronomia.

Le immagini radioastronomiche della Via Lattea a diverse lunghezze d'onda contengono una grande quantità di informazioni sulla struttura e la composizione della nostra galassia.

Attraverso l'immagine ottica siamo in grado di intuire la forma generale del sistema galattico, ma l'estinzione della radiazione luminosa dovuta alla polvere interstellare nasconde alla nostra vista le regioni centrali; l’aspetto derivante da tale impressione è quello di un filamento riferibile ad una striscia di latte versata nelle oscurità del cosmo, un’analogia responsabile del nome attribuito alla Via Lattea durante le prime osservazioni effettuate impiegando telescopi a luce visibile.

L'immagine alle lunghezze d'onda radio è il risultato dell'emissione di radiazione da parte di elettroni che si muovono a velocità relativistiche, ossia prossime a quella della luce. Questa mappa mette in evidenza le strutture dell'ingente campo magnetico su larga scala presente nella Galassia.

La mappa dell'idrogeno atomico, il quale emette alla lunghezza d'onda caratteristica di 21 cm, mostra il modo caratteristico nel quale il gas interstellare è distribuito tra le stelle.

Nell'immagine a raggi X l'emissione proviene da una bolla locale a bassa densità di gas dotato di una temperatura di milioni di gradi, residuo dell'esplosione di una supernova vicina.

Alle lunghezze d'onda dell'infrarosso si osserva una lunga striscia luminosa, che corrisponde soltanto ad una porzione incompleta del piano galattico. Le regioni maggiormente brillanti sono l'effetto della polvere interstellare riscaldata dall'attività nucleare di astri di recente formazione.

Davide Valentinis

ottobre 2007

Nel sito www.uai.it, un articolo di attualità sullo stesso argomento