Esplorando l'universo: dalle galassie all'espansione cosmica

Le stelle e le galassie

Nell’universo le stelle non sono mai isolate, ma fanno parte di veri e propri sistemi chiamati galassie. In una galassia sono presenti miliardi di stelle, polveri e gas, che sono tenuti insieme dalla forza di gravità. Le stelle che noi vediamo ad occhio nudo appartengono alla Via Lattea. Si riconoscono ad occhio nudo solo la galassia di Andromeda e le due Nubi di Magellano.

Tipi di galassie

LE GALASSIE: sono corpi molto complessi. Le più grandi contengono miliardi di stelle e hanno un diametro di diverse centinaia di migliaia di anni luce, le più piccole, diversi milioni di stelle e hanno un diametro di migliaia di anni luce. In una stessa galassia possono coesistere stelle in fasi evolutive diverse. All’interno di una galassia, la distanza tra le stelle è considerevole. Tra una stella e l’altra non c’è il vuoto, ma si trovano particelle di gas rarefatti e polveri cosmiche, costituite da atomi, ioni e molecole che formano il mezzo interstellare (densità variabile). In alcune regioni dello spazio le particelle si addensano creando nubi molecolari, nubi di idrogeno atomico o nubi di gas ionizzati o di polveri, che nascondono alla vista le stelle più distanti e rendono più difficile l’osservazione del cielo. In base alla forma e alle dimensioni possiamo distinguere tre tipi di galassie:

* galassie ellittiche: si presentano come chiazze di luce di forma sferica o ovoidale, entro le quali le stelle sono distribuite in modo regolare e la densità stellare è elevata. All’interno non vi sono stelle giovani e scarseggiano gas e polveri, ma predominano stelle rosse. La massa varia dalla massa di stelle grandi di 10000 miliardi di masse solari, dalla massa di stelle piccole di 1 milione di masse solari

* galassie a spirale: presentano un rigonfiamento al centro circondato da un disco appiattito in rotazione formato da stelle, polveri e gas e caratterizzato, nella maggior parte dei casi, da bracci a spirale. Contengono grandi quantità di polvere interstellare e sono presenti diverse stelle in formazione o stadio giovanile, localizzate nei bracci. Le stelle più vecchie sono nella zona centrale della galassia. Le dimensioni e la massa variano: le più grandi hanno una massa pari a 2000 miliardi di soli

* galassie irregolari: non sono dotate di forma definita, sono poco frequenti. Sono presenti stelle molto giovani e nubi di polveri e gas in grande quantità distribuite disordinatamente

Galassie attive e ammassi

Indipendentemente dalla forma, alcune galassie presentano particolari caratteristiche:

• le galassie attive emettono radiazioni nel campo del visibile o dell’infrarosso o dell’ultravioletto in quantità anomale. Ciò è dovuto al fatto che in queste galassie si verificano particolari fenomeni esplosivi e turbolenti. Secondo studiosi, l’attività di queste galassie dipende dalla presenza di un buco nero al centro

o sono incluse le radiogalassie, le galassie di Seyfert, i quasar (corpi così brillanti da sembrare oggetti stellari ordinari)

Le galassie isolate distano l’una dall’altra 2 o 3 milioni di anni luce, e in certi casi risentono di una reciproca attrazione gravitazionale, formando così ammassi di galassie. Gli ammassi sono spesso organizzati in sistemi più complessi, i superammassi.

Ogni galassia presenta un moto di rotazione intorno al suo nucleo centrale e un moto di traslazione. Poiché la distanza è relativamente ridotta, a volte le galassie, nel loro moto di traslazione, possono entrare in collisione. Queste collisioni coinvolgono il materiale interstellare (nebulose, polveri e gas). Gli effetti di questa attività possono essere vari: le galassie possono deformarsi e disgregarsi parzialmente, oppure fondersi.

La forza responsabile del moto è la forza gravitazionale.

La Via Lattea

LA VIA LATTEA: la Via Lattea è una galassia a spirale e ha la forma di un disco appiattito, con diversi bracci a spirale disposti sul piano del disco. Contiene oltre 100 miliardi di stelle, ha un diametro di 100000 al e uno spessore di 5000 al, massimo della zona centrale dove si trova un rigonfiamento. Questo rigonfiamento è detto nucleo galattico, ed ha una densità stellare molto elevata. Nel nucleo galattico scarseggiano gas e polveri e le stelle sono vicine l’una all’altra. Oltre il nucleo si trova il disco galattico, dal quale partono i bracci, tra cui il braccio di Orione, dove si trova il Sistema Solare. Nei bracci sono presenti le nebulose. Nel disco si osservano stelle giovani e in via di formazione. Intorno al disco di osserva un alone sferico, costituito da stelle vecchie, meno addensate e da amassi globulari (ammassi di stelle).

Gli ammassi stellari sono insiemi di stelle generati da una stessa nube e tenuti insieme dalla forza gravitazionale. Esistono due tipi di ammassi: gli ammassi aperti e gli ammassi globulari:

• ammassi aperti  gruppi poco densi di forma irregolare. In questi ammassi la materia interstellare è molto abbondante e nelle stelle sono presenti elementi pesanti

• ammassi globulari  contengono un gran numero di stelle raggruppate in uno spazio sferico ridotto. Negli ammassi globulari dell’alone vi sono soprattutto le giganti rosse e la materia interstellare è scarsa. Le stelle sono stelle di prima generazione povere di metalli pesanti.

Il red shift e l'espansione

IL RED SHIFT DELLE GALASSIE E LA SCOPERTA DELL’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO: le galassie, come le stelle, producono spettri a righe. Tra il 1910 e il 1925 si scoprì che le righe degli spettri delle galassie sono sempre spostate verso il rosso. Il fenomeno è detto red shift, si spiega considerando l’effetto Doppler e indica che le galassie si stanno allontanando dalla nostra galassia. Nel 1923, Edwin Powell Hubble dimostrò che lo spostamento delle righe spettrali verso il rosso è tanto più marcato quanto più la galassia è lontana dal Sistema Solare. Si può affermare che lo spostamento delle righe degli spettri galattici verso lunghezze d’onda maggiori è direttamente proporzionale alla distanza delle galassie da noi: le galassie più lontane si allontanano più velocemente delle galassie più vicine. Il movimento di allontanamento delle altre galassie dalla nostra è detto moto di recessione e la relazione tra velocità di allontanamento e distanza della galassia dalla Terra è espressa dalla legge di Hubble:

V= Hd.

V = velocità di allontanamento espressa in km/s

H = costante di Hubble

D = distanza della Terra espressa in Mpc.

La legge di Hubble fornisce anche un metodo per determinare la distanza delle galassie più lontane. L’allontanamento rilevato, indipendentemente dal valore che si attribuisce alla costante di Hubble, è uniforme. La scoperta di Hubble ha portato a dire che l’Universo è in espansione e la rapidità con cui si espande è espressa dalla costante di Hubble. Il valore della costante di Hubble ha un valore compreso tra

40 e 80 km/s/MpC, ma muta nel corso della storia.

Modelli cosmologici

Le ipotesi cosmologiche

Per spiegare l’origine dell’universo sono state formulate due ipotesi cosmologiche fondamentali:

* modello stazionario: l’Universo è uniforme nello spazio e nel tempo, non ha inizio e non cambia nel tempo. Nell’universo si crea sempre nuova materia, nuove galassie prendono il posto di quelle che si sono allontanate e ogni regione dell’universo mantiene costante la sua densità

* modello del big bang: l’Universo è nato in seguito a un’esplosione, a partire da uno stato iniziale di densità quasi infinita e temperatura elevatissima. L’esplosione primordiale avrebbe generato la materia dell’universo e le quattro forze fondamentali, lo spazio e il tempo. Dall’esplosione avrebbe preso avvio l’espansione.

Il modello che i cosmologi utilizzano come riferimento oggi è detto modello standard. Secondo tale modello il momento in cui si è originato l’Universo è detto tempo zero, e si colloca tra i 15-20 miliardi di anni fa. Nell’intervallo di tempo chiamato Era di Plank, l’universo era una singolarità, uno stato in cui materia e energia erano addensate in modo da costituire un sistema complesso. Dopo l’era di Plank, l’universo doveva avere dimensioni infinitesimali, una temperatura dell’ordine di 10 ³³K e le forze fondamentali erano unificate in una sola “superforza”. Successivamente l’universo iniziò ad espandersi a velocità elevatissima (si raffredda). Mentre diminuivano temperatura e densità, si verificano importanti avvenimenti:

• Nel primo microsecondo dopo l’era di Plank si formano le particelle elementari e le antiparticelle che con le loro collisioni danno luogo a fenomeni di annichilazione (fusione distruzione di una particella con la sua antiparticella), nei quali la massa veniva trasformata in energia. Si producono fotoni che interagendo producono quark e antiquark

• Un centesimo di secondo dopo il big bang: l’universo è caldo e pieno di radiazione, materia, fotoni, neutrini e antineutrini, elettroni e positoni. Protoni e neutroni subivano processi di decadimento, trasformandosi gli uni negli altri e producendo elettroni e positoni. L’universo si espande e si raffredda. Si producono più protoni che neutroni

• Poco più di un secondo dopo il big bang: scende la temperatura. Il rapporto neutroni protoni cambia a favore di un incremento del numero dei protoni. Ma la temperatura era troppo elevata per formare nuclei atomici

• Nei tre minuti successivi : la temperatura scende a valori dell’ordine di 1 miliardo di kelvin, provocando lo sparire di molti elettroni e positroni e cominciano le prime reazioni di fusione nucleare tra protoni. Si formano nuclei atomici di deuterio, elio -3, elio-4 e piccole percentuali di elementi più pesanti (ciclo protone-protone)  fase di nucleo sintesi

• Quattro minuti successivi al big bang: i positroni si sono annichilati per reazione con gli elettroni, ma restano nell’universo in numero equivalente ai protoni. Lo spazio dell’universo è riempito da un plasma di radiazioni e materia in cui si trovano nuclei di idrogeno, elettroni, neutroni. L’universo era troppo caldo per la formazione di atomi

• Dopo 300 000 anni: la temperatura si riduce e permette la formazione di atomi per aggregazione di nuclei ed elettroni. L’universo diventa trasparente, perché prima era opaco e non permetteva il passaggi di radiazioni elettromagnetiche.

Con il trascorrere del tempo, la temperatura diminuì e le interazioni divennero sempre meno frequenti. Gli atomi di ossigeno si organizzarono a formare molecole (atomi legati fra di loro con un legame covalente) e si creano composti complessi. Si formano le nebulose di gas freddi, tenute insieme dalla forza di gravità. In esse di avviarono i processi di condensazione, che culminanorono nella formazione delle prime protogalassie. Si forma la tavola periodica e attraverso essa, con procedimenti chimici, si forma la vita.

Evoluzione dell'universo

LE POSSIBILI EVOLUZIONI DELL’UNIVERSO: gli astrofisici ritengono che il parametro da considerare per capire l’evoluzione dell’universo sia la densità, che dipende dalla quantità di massa presente, che determina l’intensità della forza di attrazione gravitazionale. Dal punto di vista teorico esistono tre futuri scenari possibili dell’universo:

* se la densità è sufficiente per generare una forza gravitazionale in grado di fermare la spinta all’espansione, l’universo cesserà di espandersi (big crunch) e si contrarrà universo chiuso

* se la densità dell’universo è troppo piccola e non genera una forza gravitazionale sufficiente per impedire all’espansione di durare per sempre, le galassie si allontaneranno e le stelle si esauriranno fino a spegnersi  universo aperto

* se la forza gravitazionale non sarà sufficiente per causare una contrazione, ma riuscirà a contrastare l’espansione tanto da rallentarla sempre più, senza causare un collasso all'universo piatto