Esplorando l'universo: dalle galassie al destino cosmico

Struttura della galassia

Galassia: insieme di corpi celesti, circondato da un vastissimo spazio vuoto.

La nostra Galassia comprende c.ca 6000 stelle visibili a occhio nudo, il sole col suo sistema planetario e la via lattea, fascia di aspetto lattiginoso che disegna un cerchio massimo sull’intera Sfera celeste. La Galassia ha la forma di un disco centrale (nucleo galattico) con una sbarra da cui si dipartono lunghi bracci a spirale e comprende oltre 100 miliardi di stelle. In essa vi sono anche degli ammassi stellari, gruppi di stelle relativamente vicine tra loro, che si muovono tutte insieme; essi posso essere aperti, con qualche centinaio di stelle distribuite in modo irregolare, o globulari, con 100000/1000000 stelle distribuite regolarmente a formare una sfera.

Gran parte degli ammassi si trova al di fuori del disco centrale e forma una specie di nuvola sferica molto rarefatta, chiamata alone galattico, in cui mancano le polveri, perciò non possono formarsi stelle. Lungo la Via Lattea, invece, si formano continuamente nuovi astri.

Caratteristiche delle galassie

Al di fuori della nostra Galassia ve ne sono altre, isolate nello spazio a milioni di anni-luce di distanza e con diversa forma: ellittiche, a spirale (come la Via Lattea), a spirale sbarrata (il nucleo appare attraversato da una sbarra da cui partono le spire), globulari (con stelle addensate in forma globo sferoidale, più fitte al centro, più rade alla periferia), irregolari.

La distanza media tra esse è di 2,5 anni luce.

Le galassie tendono a riunirsi in gruppi, per esempio il Gruppo Locale, formato da una trentina di galassie nel raggio di c.ca 3 milioni di anni-luce dalla Via Lattea, ma ve ne sono numerosissimi, di ammassi galattici, circondati da ampi spazi vuoti e con galassie legate gravitazionalmente tra loro (es. la Via Lattea fa parte dell’ammasso della Vergine, intorno al cui baricentro essa ruota insieme alle altre galassie del Gruppo Locale).

Infine, vi sono anche superammassi galattici. La loro distribuzione non è uniforme: sono stati individuati ampi volumi di spazio privi di materia visibile; è come se le galassie fossero distribuite lungo la superficie di enormi bolle di spazio vuoto, e perciò l’Universo sembra avere una struttura cellulare o spugnosa. Nell’Universo sono inoltre presenti le radiogalassie, galassie che emettono onde radio in modo molto intenso. In alcune di esse di osservano emissioni di giganteschi getti di materia: sono esplosioni violentissime. Vi sono anche emissioni radio di grandissima intensità e fortemente concentrate provenienti da corpi d’apparenza stellare, denominati quasar, gli oggetti celesti più lontani finora osservati (più di 10 miliardi di anni-luce); nonostante la lontananza, i quasar sono mille miliardi di volte più luminosi del Sole (come può, un corpo così piccolo, liberare tanta energia?).

L’Universo che vediamo non è come un’istantanea: quanto più un oggetto è lontano, tanto più antico è l’aspetto che ne osserviamo, poiché le radiazioni che ce lo rivelano viaggiano a velocità finita.

Legge di Hubble: le galassie si stanno allontanando alla velocità di migliaia di km/s (i loro spettri si spostano verso il rosso) e con velocità tanto più alta quanto più sono lontane.

I - Teoria dell’universo stazionario: se l’Universo si espande, forse nel passato la sua massa era concentrata in uno spazio minore, ma la Fisica propone un Principio cosmologico perfetto, in base al quale l’Universo dovrebbe apparire in media sempre uguale. Su ciò si basava la teoria dell’Universo stazionario: il reciproco allontanamento delle galassie, cui conseguirebbe una diminuzione della densità media dell’Universo, sarebbe compensato da una continua creazione nello spazio di nuova materia, la cui aggregazione finirebbe per produrre nuove galassie in sostituzione di quelle ormai lontane. Ma è possibile che si formi nuova materia? Inoltre, il conteggio di oggetti lontanissimi, quindi molto indietro nel tempo, come i quasar, sembra indicare un aumento della densità media dell’Universo nel lontano passato e non una condizione stazionaria.

- All’inizio del tempo, nell’istante zero (11-15 miliardi di anni fa), l’Universo era concentrato in un volume più piccolo di un atomo, con una densità pressoché infinita e a una temperatura di miliardi di gradi. In un determinato istante, questo uovo cosmico si è squarciato con un’esplosione immane (Big Bang), che però non avvenne nello spazio, perché esso si generò insieme all’espansione.

- Si verificò una violentissima espansione che, nel giro di 10-³² secondi, fece aumentare il volume dell’Universo di miliardi e miliardi di volte (inflazione), mentre la temperatura scendeva.

- Poi la sfera di fuoco cominciò ad espandersi più lentamente. Nei primi istanti l’energia si condensò in particelle elementari (quark, elettroni), poi in protoni e neutroni, che in seguito si legarono in nuclei atomici, ma sempre in una nebbia luminosa di radiazioni e gas. Solo dopo 300000 anni si formarono atomi di idrogeno e si esaurì la sfera di fuoco.

- Con la formazione di idrogeno neutro la materia si separò dalla radiazione e la luce poté viaggiare liberamente nello spazio. La radiazione emessa dalla sfera di fuoco ad alta temperatura si irraggiava in ogni direzione. Nel 1965, due scienziati osservarono per caso l’esistenza di una radiazione di fondo, come se fosse l’eco del big bang, che subisce minuscole variazioni, interpretate come disuniformità nella distribuzione della materia, una sorta di increspature dalle quali avrebbe tratto origine la distribuzione delle galassie.

- Dopo il primo miliardo di anni, la temperatura è quella tipica di una stell, e la materia è fatta di idrogeno, elio, elettroni, protoni e fotoni. Dove il gas è più denso, entro grandi masse di idrogeno, cominciano i lampi delle violente esplosioni dei quasar, i quali diventano più radi con l’espansione dell’Universo e l’aumento delle galassie a spirale. Nei nuclei delle stelle e nelle esplosioni delle supernovae si formano via via gli elementi chimici più pesanti, che, sotto forma di ceneri, finiscono per mescolarsi alle polveri e ai gas delle nebulose, dove nascono nuove popolazioni di stelle.

Futuro dell'universo

1. Se la densità media della materia di cui è costituito l’Universo è inferiore al valore critico, l’espansione continuerà senza fine, le stelle consumeranno tutto il loro combustibile e le galassie diventeranno sistemi oscuri di corpi freddi e inerti, in un Cosmo ridotto a un immenso cimitero buio. Tra 10 alla 60 anni i buchi neri rimarranno le uniche concentrazioni di massa, ma anche essi finiranno per dissolversi, perché sembrano produrre comunque una debole radiazione.

2. Se la densità è superiore a quella critica e la forza di gravità riuscisse invece a frenare l’espansione dell’Universo, allora si può pensare che le galassie finiranno per arrestare la loro fuga e per invertire il loro movimento, dando inizio a una contrazione dell’Universo, in un processo inverso al big bang, che porterebbe ad uno stato primordiale (big crunch, grande collasso).