La galassia

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Testo

LA GALASSIA

Le idee sulla natura delle galassie , ancora nel primo ventennio del secolo erano assai vaghe .Le ardite speculazioni di Kant erano viste con sospetto o erano ignorate del tutto. Tuttavia già verso la fine del secolo scorso si era cominciata a manifestare la tendenza a riprendere le ricerche sulla struttura della Galassia o , come si diceva , della via Lattea , con dati più copiosi e metodi statistici più raffinati giovandosi soprattutto delle grandi possibilità offerte dalla fotografia. Al principio di questo secolo erano disponibili alcune migliaia di moti propri stellari e di velocità radiali che permettevano di affrontare il problema anche sotto l’ aspetto cinematico e dinamico.(La velocità radiale è la componente della velocità di una stella nella direzione dell’ osservatore , positiva se la stella si allontana , negativa se si avvicina e si misura mediante l’ effetto Doppler. – Il moto proprio è lo spostamento della stella sulla volta celeste in un anno , dovuto alla componente della sua velocità perpendicolare alla visuale (velocità trasversale)).Con questi dati era già stato determinato con discreta precisione il moto del sole relativo alle stelle vicine: circa 28 km/s verso un punto , detto apice , situato in Hercules , vicino a Lyra.
Nel decennio tra il ’20 e il ’30 , grazie a Heber Curtis si capì che la Via Lattea non è una galassia anomala , unica nel suo genere , come invece dall’ osservazione di essa si riteneva : una delle più importanti cause che ritardarono la comprensione della struttura e la corretta valutazione delle dimensioni della Galassia fu la convinzione a lungo dominante che lo spazio interstellare fosse essenzialmente trasparente. Invece le fotografie di molte regioni della Via Lattea mostrarono chiaramente che la distribuzione delle stelle sulla volta celeste è in gran parte determinata dall’ esistenza di nubi irregolari di materia oscura che assorbono la luce dalla stelle situate dietro ad esse; (più tardi divenne evidente che anche le aree libere erano parzialmente oscurate da materiale presumibilmente della stessa natura , ma di densità molto minore). Questo materiale interstellare è formato prevalentemente da gas , in massima parte H – rivelato da osservazioni radioastronomiche – e da una piccola quantità di polvere , alla quale si deve l’ assorbimento della luce stellare: la polvere infatti è costituita da grani minutissimi di grafite , materiali ferrosi ecc. , ricoperti da uno strato di ghiaccio. Una componente molto importante del gas è formata da molecole :idrogeno (H2) , ossido di carbonio (CO) , ammoniaca (NH3); vanno inoltre ricordati anche numerosi composti organici.
la questione delle dimensioni e delle distanze tra le galassie fu risolta per merito soprattutto di due tra i maggiori astronomi del nostro secolo : l’ olandese Jan H.Oort e lo svedese Bertil Lindblad.
La grande scoperta di Oort e di Lindblad fu quella della rotazione della Galassia intorno ad un centro lontano circa 10 kpc nella direzione di Sagittarius. Oort vi pervenne attraverso profonde meditazioni sui moti delle stelle ad alta velocità (relativa al sole) e sul fenomeno della rotazione differenziale , cioè sul fatto che la velocità di rotazione doveva variare con la distanza dall’ asse generale del moto rotatorio. Lindblad giunse contemporaneamente ed indipendentemente alla medesima conclusione attraverso considerazioni di carattere dinamico basate sui risultati statistici relativi alle cosiddette correnti stellari.
La conclusione che si ricava da questi studi è un modello della Galassia che rimane sostanzialmente valido , con i perfezionamenti apportati dalle scoperte successive. Gran parte delle stelle , specie quelle più luminose intrinsecamente , si distribuiscono entro un grande disco avente un raggio di circa 15kpc ed uno spessore di appena 300pc; il sole si trova nel piano di simmetria del disco (il piano galattico) a quasi 2/3 della distanza tra il centro e il bordo. Il grande numero di stelle appartenenti al disco è ciò che produce l’ aspetto caratteristico della Via Lattea , le cui irregolarità si devono soprattutto agli addensamenti locali della materia interstellare (nubi). Tutto il disco è immerso in un grande alone concentrico , di forma all’ incirca sferica , formato dagli ammassi globulari e da stelle isolate , la cui densità decresce con la distanza dal centro.L’ alone non partecipa alla rotazione. Ciò non vuol dire che le stelle che ne fanno parte siano immobili; ognuna di esse descrive una grande orbita intorno al centro generale di tutto il sistema , ma le eccentricità e gli orientamenti delle orbite sono distribuiti praticamente a caso , in modo che la media dei loro moti è quasi nulla. Invece le stelle del disco descrivono orbite quasi circolari e complanari e quindi la loro velocità media in ogni punto è molto vicina a quella che dovrebbe corrispondere ad un’ orbita circolare (brevemente velocità circolare) per effetto del campo gravitazionale generato da tutte le masse del sistema. Nel punto in cui si trova il sole la velocità circolare è diretta verso Cygnus (perpendicolarmente alla direzione di Sagittarius) ed ha valore di circa 230 km/s corrispondente ad un periodo di circa 225 milioni di anni. Questo è il moto della maggior parte delle stelle vicine al sole ed è un moto relativo ad un sistema di riferimento che descrive un’ orbita circolare intorno al centro della Galassia. Il sole si muove un poco più velocemente della media delle stelle , tendendo ad allontanarsi dal centro , ma la differenza rispetto al moto circolare non è grande: 20 km/s su 230 km/s , quindi la sua orbita è solo leggermente eccentrica. Stelle dell’ alone si trovano anche in prossimità del sole e si riconoscono per la grande differenza tra la loro velocità e la velocità circolare ed in conseguenza la loro grande velocità relativa al sole.
Questo modello conduce ad una massa totale di circa 2x10^11 Masse solari. Tra i perfezionamenti che vi sono stati apportati è il riconoscimento che la distribuzione delle stelle ( e della materia interstellare) entro il disco non è uniforme , ma riproduce un disegno a spirale. Non meno importante è la scoperta che le dimensioni e la massa dell’ alone erano state grandemente sottovalutate nel modello iniziale; esistono stelle fino a 60 kpc di altezza sul piano galattico. In quest’ ordine di idee le Nubi di Magellano e anche qualche altro sistema fanno parte della Galassia , considerata come un’ unità dinamica con una massa 10 volte superiore a quella del modello classico.

LA STRUTTURA A SPIRALE DELLA GALASSIA

Appena riconosciuto che le spirali come M31 e M33 sono per moltissimi riguardi simili alla Galassia , era naturale pensare che anche questa , vista da un osservatore lontano , avrebbe dovuto presentare lo stesso aspetto di spirale. La prima indicazione in proposito venne nel ’51 quando Morgan e la sua equipe , per mezzo di precise osservazioni fotometriche e colorimetriche , poterono determinare le distanze di un centinaio di ammassi galattici giovani. Si trovò così che gli oggetti osservati si distribuiscono nel piano galattico entro tre strisce , lasciando tra queste degli spazi vuoti. Le strisce vengono interpretate come parte di bracci di spirale abbastanza vicine da essere osservate otticamente. In uno di questi bracci si trova il sole e perciò questo braccio si proietta in due direzioni opposte della sfera celeste ed è detto braccio locale o anche braccio di Orione.
L’ evidenza considerata decisiva venne però dalla radioastronomia , con la scoperta della cosiddetta riga di 21 cm. A causa della estrema rarefazione del gas interstellare , gli atomi di H sono in grado di emettere una radiazione di 21 cm di lunghezza d’ onda.
Secondo il modello dinamico della Galassia , le nubi interstellari si muovono intorno al centro galattico descrivendo orbite circolari , come quelle delle stelle del disco. Le osservazioni della riga di 21 cm consentono di determinare la curva rotazionale , cioè il valore della velocità circolare alle diverse distanze dal centro (nella pratica però la rilevazione è possibile solo a distanza comprese fra 3 kpc e 9 kpc , cioè il punto dove si trova la terra). Si trova così che la velocità circolare è di circa 200 km/s a 3kpc dal centro , sale a 260 km/s a 7 kpc , per poi ridiscendere a 230 km/s nel punto dove si trova il sole. A distanze maggiori l’ andamento della curva non è conosciuto , ma si sono andate accumulando indicazioni che la velocità circolare riprende a crescere fino a 300 km/s al bordo del disco (15 o 20 kpc). Naturalmente questo andamento dipende dalla distribuzione delle masse entro la Galassia. Nota la curva rotazionale , si può anche determinare la distanza delle singole nubi di H e disegnare così una mappa della loro distribuzione nel piano galattico. Le mappe così ottenute suggeriscono effettivamente qualcosa di simile alla figura di una galassia a spirale , ma il disegno è un po’ vago e mal definito probabilmente per incertezze nelle osservazioni e nella loro interpretazione.

MODELLO EVOLUTIVO di Olin Eggen , David Lynden-Bell e Allan Sandage

Una galassia è inizialmente una grande massa gassosa isoterma approssimativamente sferica e in lento moto di rotazione. Questa protogalassia si è in qualche modo separata dalla materia primordiale distribuita nello spazio uniformemente ed aveva all’ inizio la stessa composizione chimica di questa: ¾ di H e ¼ di He in peso , con appena qualche traccia di altri elementi. Una massa gassosa isoterma è stabile; basta tuttavia una piccola diminuzione della pressione per provocare un collasso , cioè una caduta delle sue parti verso il centro , non così catastrofico come quello di una stella , ma sempre relativamente rapido.Nella caduta la velocità di rotazione aumenta per la conservazione del momento rotazionale ed alla fine dovrà formarsi un disco appiattito in rapida rotazione , perché nella direzione parallela all’ asse di rotazione la sola forza che si oppone alla caduta dei gas è la pressione , mentre nelle direzioni perpendicolari all’ asse , alla pressione si aggiunge la forza centrifuga. Secondo Eggen e collaboratori , la formazione di stelle di popolazione II (ammassi globulari e stelle di campo riconoscibili perché si trovano a grandi altezze sul piano galattico , con orbite che possiedono forti eccentricità e grandi inclinazioni rispetto al piano galattico : la loro composizione chimica è povera di metalli , i quali nei casi estremi costituiscono meno dello 0,01% del totale. Le stelle di popolazione II hanno età superiori ai 12 miliardi di anni) , avviene subito prima o durante il collasso , perché il moto di masse gassose così grandi è necessariamente turbolento e ciò provoca la frammentazione della massa in un gran numero di masse minori , che continuano la loro caduta verso il centro , ma con modalità diverse a seconda delle loro dimensioni. I frammenti più piccoli dovrebbero condensarsi rapidamente formando stelle singole o se sono abbastanza grandi , ammassi stellari ; il loro moto è determinato unicamente dalla velocità della massa da cui sono formati e dal campo gravitazionale generale.
Invece le grandi nubi gassose non frammentate , finiscono col riunirsi in un disco e acquistando moti essenzialmente circolare intorno all’ asse di rotazione.
In tal modo le stelle e gli ammassi formatisi durante il collasso devono descrivere orbite con tutte le inclinazioni e le eccentricità possibili che , quando la situazione si sarà stabilizzata , li faranno oscillare fino a grandi distanze dal piano equatoriale , formando così il grande alone di popolazione II.
Le stelle che si formeranno più tardi nel disco , dove si è raccolta tutta la materia interstellare disponibile , devono avere orbite presso a poco circolari e complanari a quelle delle grandi nubi , che sono le caratteristiche delle stelle di popolazione I.(ammassi aperti , stelle di tipi spettrali O , B , A (stelle ad alta temperatura); a queste si possono aggiungere le nebulose gassose tipo quella di Orione e la maggior parte della materia interstellare).
Una conseguenza di questa ipotesi è quella di predire una differenza tra la composizione chimica delle due popolazioni. Le stelle di prima generazione ,di cui sopravvivono solo quelle di massa più o meno uguale a quella del sole o minore , hanno avuto inizialmente la medesima composizione che aveva il gas della protogalassia; ma quelle di massa maggiore nella loro evoluzione hanno prodotto una certa quantità di metalli (elementi pesanti) , una parte dei quali sono stati espulsi sotto forma di venti stellari o nelle fasi finali della loro evoluzione e sono andati ad alimentare altre stelle. Nell’ alone però la formazione di stelle si è arrestata alla prima generazione , perché i prodotti dell’ evoluzione di stelle pesanti sono andati ad arricchire le nubi durante il collasso o si sono dispersi nello spazio senza raggiungere la densità necessaria per formare stelle. La durata del collasso fino alla formazione del disco dovrebbe essere stata relativamente breve , probabilmente non più di 200-300 milioni di anni. Nel disco invece , dove la formazione di stelle continua , quelle delle generazioni successive nascono in un mezzo che si va arricchendo di metalli, sintetizzati dalle stelle di generazioni precedenti che hanno già terminato la loro evoluzione. Ne segue che le stelle di popolazione I sono più ricche di elementi pesanti di quelle della popolazione II e ciò tanto più , quanto più recente è la loro epoca di formazione o , più esattamente , quanto maggiore è il numero di elaborazioni che il materiale in cui nascono ha ricevuto nella evoluzione delle stelle di grande massa.

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