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c01:le_galassie_evidenze_di_evoluzione_dinamica

1.2 Le galassie: evidenze di evoluzione dinamica

Pur limitandosi al solo osservabile “temperature”, l'esame delle sorgenti stellari suggerisce tutto un insieme di evidenze evolutive collegabili alla storia della materia nella nostra Galassia e, più in generale, ad una storia dell'Universo stesso, delle sue strutture e della materia in esse contenute. E' su tale quadro di evidenze che l'Astrofisica Stellare è chiamata ad operare, al fine di raggiungere valutazioni quantitative che consentano di sviluppare l'ambizioso programma di ricostruire nei dettagli la storia dell'Universo nel suo insieme, ricavando tale storia dall'analisi delle testimonianze stellari che sopravvivono disseminate nello spazio.

Milky Way

La Via Lattea è sempre uno spettacolo straordinario... (Crediti: maza37 su Flickr)

E' ben noto come la fascia luminosa che attraversa il cielo notturno, detta “Via Lattea”, debba essere interpretata come evidenza che il Sole faccia parte di un sistema strutturato di stelle detto Galassia, dal greco “Latteo”, ove è sottinteso il termine “circolo”.

Fig.1.1 Rappresentazione schematica della struttura della nostra Galassia. Le distanze sono misurate in parsec (1 pc = 3.3 anni luce, vedi A1.3)

L'osservazione ha portato a riconoscere nella Galassia tre componenti principali che sono qui elencate in ordine di rilevanza osservativa (fig.1.1):

  1. Un disco, di raggio ~15 chiloparsec (kpc) e spessore ~ 300 pc, popolato da stelle e nubi di materia diffusa sotto forma di polveri e gas. Caratteristica la presenza di ammassi stellari aperti (fig. 1.2), tipicamente formati da non piu' di qualche migliaio di stelle, non legate gravitazionalmente e senza evidenti simmetrie . Numerose evidenze indicano l'esistenza nel disco di una sottostruttura a spirale, in analogia a quanto osservato direttamente in altre galassie (vedi fig. 1.3).
  2. Un nucleo (bulge), centro di simmetria per il disco, particolarmente ricco di stelle e di materia diffusa.
  3. Un alone sferico, di raggio comparabile a quello del disco, nel quale sono presenti essenzialmente solo oggetti stellari, distribuiti con buona simmetria attorno al nucleo galattico.

Caratteristica la presenza di oltre centocinquanta ammassi globulari (vedi A1.5), formati da qualche centinaio di migliaia sino ad un milione di stelle, gravitazionalmente legate in strutture a spiccata simmetria sferica.

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Fig. 1.2. Distribuzione sulla volta celeste degli ammassi stellari aperti della nostra Galassia che marcano la collocazione del disco galattico. Sono utilizzate coordinate galattiche ove la latitudine galattica (b) è misurata con riferimento al piano definito dalla Via Lattea e per la longitudine (l) si assume come origine la direzione del centro galattico.

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Fig. 1.3. Mappa della posizione sul piano del disco galattico di alcuni tracciatori di spirale nei dintorni del Sole. I simboli rappresentano giovani ammassi stellari aperti (cerchi pieni) e nubi di idrogeno ionizzato dalla radiazione di contigue stelle giganti blu (cerchi vuoti). Le concentrazioni degli oggetti lungo fasce evidenziano porzioni locali delle braccia a spirale della nostra Galassia.


Strutture di questo tipo sono riconosciute per ogni dove nell'Universo, a partire da quando i primi grandi telescopi riuscirono a risolvere un'antica controversia, mostrando come le nebulose spiraleggianti intraviste con i cannocchiali ottocenteschi dovessero essere riguardati come strutture dalle dimensioni e strutture analoghe a quelle della nostra Galassia poste ad enormi distanze. Per la galassia a noi piu' vicina ( M31 = Andromeda) stimiamo oggi, per esempio, una distanza di circa 700 kpc.

fig1_04.jpg

Fig.1.4. Schema evolutivo della Galassia. I punti rappresentano il gas, le crocette le stelle ed ammassi di alone, i cerchi aperti le prime stelle di disco. Gli asterischi rappresentano l'esplosione di supernovae ed i cerchietti pieni stelle arricchite di elementi pesanti. R rappresenta l'asse di rotazione della Galassia. Il raggio dei cerchi è di circa 15 kpc. Nella fase b sono indicate alcune orbite della popolazione di alone (stelle od ammassi).

Di particolare rilevanza appare la differenza di temperatura tra stelle di disco e di alone. Nella nostra Galassia e, per quanto è possibile verificare, in tutte le galassie simili alla nostra (galassie a spirale), si ha infatti che:

  1. Tra le stelle che popolano il disco, le più luminose appaiono tipicamente stelle ad alta temperatura (stelle blu, T∼10.000 K).
  2. L'alone galattico è invece dominato da stelle a temperatura nettamente inferiore (giganti rosse, T∼5.000 K).

Da queste osservazioni scaturisce, sia pur a livello di ipotesi di lavoro, un quadro interpretativo che collega evidenze stellari ed evoluzione galattica. Dovendosi assumere che le stelle siano il risultato della condensazione di materia diffusa sotto l'influenza del campo gravitazionale, è innanzitutto evidente che nell'alone della Galassia, ove tale materia diffusa è praticamente assente, il processo di formazione stellare è al presente inibito. Le stelle che popolano l'alone devono quindi essere il ricordo di una fase precedente, in cui l'intero alone era occupato da una nube di materia diffusa a simmetria tipicamente sferica (protogalassia).

Alla formazione di una prima generazione stellare nel corpo di questa protogalassia deve aver fatto seguito il collasso del gas residuo (vedi Fig.1.4) a formare il disco, con tempi scala caratteristici di circa 100 milioni di anni per un collasso in caduta libera (collasso non dissipativo). Nel disco così formatosi sono restati e restano attivi i processi di formazione stellare a spese della materia diffusa ivi addensata. Se ciò è vero, le popolazioni stellari di alone devono essere le più antiche della Galassia, e la differenza di stato fisico delle strutture stellari potrebbe essere messa in relazione proprio alla differente età. Così varrebbero le relazioni:

  • Alone − Predominio di giganti rosse − strutture stellari antiche.
  • Disco − Predominio di stelle blu − strutture stellari giovani.

Pur senza entrare in casistiche dettagliate (vedi A1.6) ricordiamo d'altronde come nell'Universo, sia pur nel quadro di una gran varietà di forme e dimensioni, si osservino due tipi fondamentali di agglomerazioni di materia su scala galattica:

  1. Galassie a spirale, quali la nostra e M31, nelle quali è presente un disco (con spirali regolari o barrate) immerso in un alone dominato da giganti rosse.
  2. Galassie ellittiche, nelle quali è presente solo una componente sferoidale di alone.

E' interessante notare come le galassie ellittiche mostrino di essere dominate da una componente stellare a bassa temperatura, come chiaramente indicato dal loro colore. Questa osservazione sembra integrare il quadro evolutivo precedente, suggerendo che le prime generazioni stellari siano nate, in ogni caso, da nubi protogalattiche sferoidali ed in un lontano passato. Solo se, per motivi al momento imprecisati, tale processo di generazione stellare lascia nella struttura del gas residuo, tale gas si condensa lungo un disco ove rimangono efficienti ulteriori processi di formazione stellare. Notiamo che da queste semplici osservazioni emerge che l'Universo ha una storia: c'è stata nel passato un'era per la formazione delle galassie, e ciò contraddice quelle teorie che vorrebbero l'Universo sempre eguale a se stesso (teorie dello stato stazionario).

Il quadro evolutivo così delineato è peraltro suscettibile di modifiche anche sostanziali sulle quali è ancora vivo il dibattito: il collasso del protoalone potrebbe essere stato di tipo dissipativo, e quindi su tempi scala termodinamici, o - ipotesi ancor più radicale - nella formazione degli aloni potrebbero aver giocato un ruolo processi di cattura e di merging di sistemi stellari preesistenti. Le teorie di evoluzione stellare sono chiamate a precisare, definendoli quantitativamente, tali scenari evolutivi, fornendo risposte che - come abbiamo visto - coinvolgono non solo la storia della nostra Galassia ma anche la storia del più generale strutturarsi in galassie dell'Universo nel suo insieme.




c01/le_galassie_evidenze_di_evoluzione_dinamica.txt · Ultima modifica: 25/11/2019 18:47 da marco