Guida alle costellazioni - Regioni celesti scelte/La struttura a grande scala dell'Universo

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La costellazione di Orione

CopertinaGuida alle costellazioni - Regioni celesti scelte/Copertina

Regioni celesti scelte

Curiosità galattiche

Carte di dettaglio dei principali ammassiGuida alle costellazioni - Regioni celesti scelte/Carte di dettaglio dei principali ammassi

BibliografiaGuida alle costellazioni - Regioni celesti scelte/Bibliografia

Premessa - L'universo osservabile[modifica]

Rappresentazione dell’Universo osservabile.

Quando si studiano le strutture a grande scala dell’Universo, solitamente ci si riferisce alla porzione che è possibile osservare, che però non coincide con le reali dimensioni dell’Universo. Ecco perché quindi si parla di universo osservabile.

In cosmologia l’universo osservabile è una regione di spazio racchiusa da una sfera centrata su un osservatore, sfera che contiene tutto ciò che egli può osservare. Generalmente si intende la porzione di universo indagabile dall’Uomo, quindi la sfera centrata sulla Terra, ma ogni posizione nello spazio possiede il suo universo osservabile.

Se l’Universo non fosse in continua espansione, il raggio dell’universo osservabile sarebbe pari alla distanza percorsa dalla luce nell’arco di tempo trascorso dall’inizio dell'Universo (ossia l’età dell’Universo), pertanto l’orizzonte dell'universo osservabile sarebbe posto a circa 13,8 miliardi di anni luce; poiché però l’Universo si sta espandendo continuamente, la distanza effettiva di questo orizzonte è più grande: una radiazione elettromagnetica partita 13,8 miliardi di anni fa che giungesse ora ad un osservatore sarebbe relativa a una sorgente che nel frattempo si è allontanata dall’osservatore a causa dell’espansione. Alcune stime ipotizzano che lo spazio si potrebbe essere espanso per circa 46,5 miliardi di anni luce (4,7×1023 km).

Sulla base di questa stima, il diametro della sfera dell’universo osservabile sarebbe pari a 93 miliardi di anni luce; il volume di questo spazio sferico è pari a circa 5×1032 anni luce cubi; queste dimensioni potrebbero contenere circa 7×1022 stelle, organizzate in circa 2×1012 galassie (duemila miliardi, secondo una stima effettuata nel 2016), agglomerate in gruppi e ammassi di galassie e superammassi. Osservazioni condotte col telescopio spaziale Hubble suggeriscono un numero medio di galassie ancora maggiore.

Per quanto riguarda la parte osservabile, nelle zone più distanti dall’osservatore la recessione (allontanamento) avviene a velocità apparentemente superluminale (ossia più velocemente della luce); inoltre l’espansione risulterebbe, da un certo punto della vita dell’Universo in avanti, in accelerazione. Ciò non permette alla luce emessa oggi dagli oggetti che si trovano in questo momento oltre una certa distanza di raggiungerci, poiché in queste regioni più remote lo spazio si dilata apparentemente più velocemente della velocità della luce e incrementa la sua velocità di dilatazione. Ciò crea un orizzonte dell’universo osservabile.

Oltre l'orizzonte dell’universo osservabile, posto alla distanza pari a 46,5 miliardi di anni luce dall’osservazione, leggi fisiche, spazio e tempo perdono contatto causale, cioè non esisterà mai la possibilità di osservare o scambiare con queste regioni alcun segnale o informazione generato d’ora in avanti. In pratica queste regioni escono dalla realtà dell’osservatore e quindi, di fatto, “al di fuori” del suo universo.

Un errore comune è ritenere che il raggio dell’universo osservabile sia di 13,8 miliardi di anni luce. L’età dell’Universo è di 13,8 miliardi di anni e sebbene nessun oggetto possa accelerare fino a raggiungere e superare la velocità della luce, è un errore limitarlo a tali misure. Nell’Universo lo spazio-tempo è infatti curvato in modo che corrisponda all’espansione dello spazio stesso, come evidenziato dalla Legge di Hubble: distanze ottenute moltiplicando la velocità della luce per un intervallo di tempo cosmologico non hanno alcun significato fisico.

La struttura a grande scala dell'Universo[modifica]

Galassie nel lontano Ammasso di Ercole; sono visibili diverse mor-fologie di galassie, nonché galassie in interazione.

Quando si legge o si sente parlare di struttura a grande scala dell’Universo, si pensa inevitabilmente alle immagini del Telescopio Spaziale Hubble e ai giganteschi ammassi di galassie remoti; tuttavia riuscire a costruirsi una mappa mentale di tutta questa immensità resta difficile, sia per i limiti intrinseci della nostra mente, sia perché non sempre è facile contestualizzare questi grandi sistemi nel cielo a cui siamo abituati, pieno di stelle e suddiviso in costellazioni.

Lo scopo di questa sezione non è quello di descrivere nel dettaglio la fisica del cosmo e la nascita e l’evoluzione dell’Universo, per le quali, ancora una volta, esistono ottimi testi in grado di spiegarne i segreti anche con un linguaggio semplice e comprensibile; ciò che si desidera raggiungere qui è uno spunto e un supporto per costruirsi un’idea iniziale di come e dove sono distribuite alcune delle grandi strutture dell’Universo, in particolare quelle a noi più vicine che quindi possono maggiormente interessare l’appassionato o l’astrofotografo amatoriale.

L'unità più semplice: il gruppo di galassie[modifica]

I gruppi di galassie sono gli aggregati di galassie più piccoli: tipicamente contengono non più di 50 galassie in un diametro da 3 a 7 milioni di anni luce, la maggior parte delle quali nane; la massa totale media è di circa 1013 masse solari. La differenza di velocità tra le galassie è di circa 150 km/s. Tuttavia, questa definizione dà solo una linea guida, perché anche sistemi di galassie più grandi e massivi sono talvolta classificati come gruppi di galassie.

I gruppi sono le strutture di galassie più comuni dell’Universo e comprendono almeno il 50% delle galassie presenti nell’Universo stesso; sono suddivisibili in tre tipologie principali in base alle loro caratteristiche più appariscenti.

Un gruppo compatto consiste di un piccolo numero di galassie, tipicamente intorno a cinque, situate in prossimità l'una dell'altra e relativamente isolate dalle altre galassie. Il primo gruppo compatto ad essere stato scoperto è il Quintetto di Stephan, nel 1877, ed è un gruppo di quattro galassie più una galassia isolata ma che dalla Terra risulta casualmente sovrapposta alle altre quattro. L'astronomo Paul Hickson creò un catalogo di tali gruppi nel 1982, il Hickson Compact Groups.

I gruppi compatti rendono evidente l'effetto della cosiddetta materia oscura, dato che la massa visibile è di gran lunga minore di quella necessaria per tenere insieme le galassie con la forza di gravità. I gruppi compatti sono inoltre instabili dinamicamente.

Un gruppo fossile si ritiene che sia il risultato di una fusione di galassie all'interno di un gruppo normale di galassie, che si lascia dietro l'alone di raggi X del gruppo progenitore; le galassie all'interno di un gruppo di questo tipo interagiscono e si fondono tra loro. I gruppi fossili sono probabilmente sistemi vecchi e indisturbati che hanno attratto a sé poche galassie luminose dal momento della loro formazione; per questo motivo si ritiene che siano un importante laboratorio per studiare la formazione e l'evoluzione di galassie e il mezzo intra-gruppo in un sistema isolato. I gruppi fossili potrebbero ancora contenere delle galassie nane non in interazione, ma i membri più massivi si sono condensati nella galassia centrale.

Il gruppo fossile più vicino alla Via Lattea è quello della galassia NGC 6482, una galassia ellittica distante circa 180 milioni di anni luce nella costellazione di Ercole.

I protogruppi sono infine gruppi in fase di formazione. Contengono perciò galassie singole inserite nei loro singoli aloni di materia oscura che sono in procinto di fondersi in gruppi di galassie con un unico alone di materia oscura.

Spesso i gruppi di galassie non presentano tuttavia dei confini ben netti e precisi, ma capita molto spesso che due gruppi di galassie adiacenti sfumino progressivamente uno nell’altro, formando delle concatenazioni.

Il Gruppo Locale, dove è compresa la Via Lattea, è formato da 70 galassie finora note, fra cui due spirali giganti, tre o quattro intermedie e un cospicuo numero di galassie nane.

Le nubi di galassie[modifica]

Il centro dell’Ammasso della Vergine è formato da una catena di galassie massicce nota come Catena di Markarian.

Insiemi estesi di galassie singole e gruppi di galassie possono formare una nube di galassie, ossia una struttura più complessa che può contenere anche diverse centinaia di galassie di grande e media massa; simili nubi hanno dimensioni di alcune decine di milioni di anni luce e possono essere a loro volta connesse ad altre strutture analoghe, o anche a dei veri e propri ammassi di galassie.

In questo senso, si può intendere come il Gruppo Locale, assieme ai gruppi di galassie più vicini come il Gruppo di M81, il Gruppo Centaurus A/M83, il Gruppo di M101, il Gruppo dello Scultore e altri formino una struttura paragonabile a una nube di galassie.

Gli ammassi di galassie[modifica]

Un ammasso di galassie è una struttura che consiste di un insieme che va da centinaia a migliaia di galassie che sono tenute insieme dalla gravità; tipicamente le masse sono intorno alle 1014 o 1015 masse solari. Nell'universo conosciuto sono le strutture più grandi tenute insieme dalla gravità e si credeva che fossero le strutture più grandi fino agli anni ottanta del Novecento, quando furono scoperti i superammassi.

Una delle caratteristiche principali degli ammassi è il mezzo intra-ammasso (in inglese intracluster medium, da cui ICM), che consiste di gas caldo intergalattico e dipende dalla massa totale dell'ammasso; la sua temperatura può raggiungere i 100 milioni di Kelvin ed emettere pertanto una forte radiazione nella banda dei raggi X. La maggior parte della massa del mezzo intra-galattico è formata da idrogeno ionizzato ed elio.

Solitamente al centro degli ammassi di galassie si trovano alcune ellittiche giganti con un diametro che può estendersi anche per centinaia di migliaia di anni luce (e in certi casi anche superare il milione di anni luce), circondate da una popolazione di svariate migliaia di ammassi globulari, diverse galassie nane e anche alcune galassie maggiori; si ritiene che questi giganti dell’Universo siano il risultato di progressive fusioni fra galassie avvenute nel corso di miliardi di anni. Spesso al loro centro si trova un buco nero supermassiccio con una massa pari anche ad alcuni miliardi di masse solari.

L’ammasso di galassie più vicino a noi è l’Ammasso della Vergine, situato a una distanza media di 50-60 milioni di anni luce; ad esso si collegano diverse nubi di galassie estese per alcune decine di milioni di anni luce. Il secondo ammasso più vicino è l’Ammasso della Fornace, situato a 60 milioni di anni luce e molto meno massiccio del precedente.

Verso i superammassi di galassie[modifica]

I superammassi di galassie sono grandi agglomerati di ammassi, nubi e gruppi di galassie e sono tra le più grandi strutture conosciute dell'Universo. Un tipico superammasso può contenere diverse decine di migliaia di galassie ed estendersi per alcune centinaia di milioni di anni luce; ciò nonostante, le sue dimensioni continuano a restare piuttosto contenute se confrontate alle dimensioni dell’intero universo osservabile: si ritiene infatti che quest’ultimo contenga ben 10 milioni di superammassi di galassie.

La Via Lattea è situata nel Gruppo Locale e, insieme ad altri gruppi ed ammassi, costituisce il Superammasso della Vergine; quest'ultimo, con altri superammassi, confluisce a formare il Superammasso Laniakea, una superstruttura che si estende per oltre 500 milioni di anni luce.

Da tempo si indaga sul come siano disposti i superammassi nello spazio, approntando mappe accurate, anche tridimensionali, delle posizioni di milioni di galassie, calcolandone per ognuna la posizione e il redshift. Le mappe hanno fatto comprendere come le galassie non seguano una distribuzione uniforme né casuale, ma si dispongono lungo strutture allungate, chiamate filamenti galattici, che circoscrivono a loro volta enormi vuoti, strutture spesso sferiche dove sono presenti pochissime tenui galassie o nubi d'idrogeno, mentre la maggior parte delle galassie si trovano nei filamenti intorno ai vuoti. In complesso l'aspetto è quello di una spugna, dove le cavità sono i vuoti e la struttura della spugna i filamenti e i superammassi.

Oltre i superammassi: i filamenti[modifica]

I filamenti di galassie (che comprendono i Complessi di superammassi, i Muri di galassie e i Piani di galassie), sono tra le più grandi formazioni dell'Universo; si tratta di enormi formazioni filiformi, con una lunghezza tipica di 200-300 milioni di anni luce, e formano i confini tra i grandi vuoti dell'universo.

Nel loro insieme, i superammassi e i filamenti che li collegano fanno parte di un'unica struttura filamentosa, cioè di un unico filamento; tutti questi elementi sono disposti in modo tale da disegnare una forma che ricorda una spugna. Se consideriamo complessivamente questi elementi, si deduce che nell'Universo a grande scala tutta la materia, luminosa ed oscura, sia distribuita piuttosto omogeneamente.

Osservati a grande scala, i filamenti formano una matrice intricata che ricorda una ragnatela o un intreccio di neuroni; possono possedere numerose ramificazioni secondarie orientate in modo differente nello spazio e delimitano delle aree che invece appaiono quasi completamente vuote: si tratta dei già accennati vuoti cosmici, che se raggiungono le dimensioni di alcune centinaia di milioni di anni luce vengono denominati supervuoti. Alcuni supervuoti possono anche superare il miliardo di anni luce di diametro.

Il filamento di galassie più grande conosciuto è la Grande Muraglia di Ercole-Corona Boreale, un’immensa struttura di galassie che misura oltre 10 miliardi di anni luce; si trova alla distanza attuale (comovente) di 15-17 miliardi di anni luce, mentre al momento dell’emissione della luce che arriva a noi (per via dell’espansione dell’Universo) si trovava a 9-10 miliardi di anni luce. A fronte di una simile larghezza, il suo spessore è tuttavia pari a “soli” 900 milioni di anni luce, ossia meno di un decimo della sua larghezza.

Questa enorme struttura è stata scoperta nel novembre 2013 da una mappatura dei lampi gamma che si verificano nell'universo distante. I lampi gamma sono fra i più potenti eventi che si verificano nell'universo conosciuto e sono lampi molto luminosi di raggi gamma che annunciano la morte di stelle lontane di grande massa con esplosioni potentissime. I lampi di raggi gamma sono fenomeni rari; in una galassia come la Via Lattea se ne verifica in media uno ogni milione di anni. Gli astronomi teorizzano che le stelle che causano questi eventi siano molto luminose e di grande massa, più frequenti dove la materia è più densa; pertanto, una maggiore frequenza di raggi gamma in una regione del cielo indica una disomogeneità nella distribuzione della materia.

Dalla piccola alla grande scala: il Gruppo Locale[modifica]

Mappa generica del Gruppo Locale.

Gruppo Locale è il nome proprio dato al gruppo di galassie di cui fa parte la nostra galassia: la Via Lattea. Il Gruppo Locale comprende più di 70 galassie, per la maggior parte di piccole dimensioni, e il suo centro di massa si trova in un punto compreso fra la Via Lattea e la Galassia di Andromeda. Il gruppo ha un diametro di circa 10 milioni di anni luce, diviso principalmente in due grossi centri, con una forma assimilabile a un manubrio.

Il Gruppo Locale è un tipico esempio di gruppo di galassie come ce ne sono tanti nell'Universo. Esso, con gli altri 5 gruppi più vicini noti come Gruppo dello Scultore, Gruppo di galassie di Maffei 1, Gruppo di M81, Gruppo di Centaurus A/M83 e Gruppo di M94, con l'Ammasso della Vergine e altre strutture, fa parte come visto di una struttura più ampia ed estesa conosciuta come Superammasso della Vergine, costituito da vari ammassi e gruppi di galassie.

I membri più massicci del Gruppo sono le due grandi spirali presenti: la Galassia di Andromeda e la Via Lattea, seguite dalla Galassia del Triangolo. Ognuna di esse forma un sottogruppo formato da un sistema di galassie “satelliti”.

Il termine Gruppo Locale fu introdotto nel 1936 da Edwin Hubble, definendolo come un tipico piccolo gruppo di nebulose isolate nello spazio più ampio. Nel libro egli mise in ordine decrescente di luminosità le 11 galassie allora conosciute e identificò IC 10 come possibile membro del gruppo.

Dalla sua iniziale classificazione il numero di galassie facenti parte del Gruppo Locale è cresciuto significativamente, in particolare dopo la scoperta di numerose galassie nane o a bassa luminosità.

L'Ammasso della Vergine[modifica]

L'Ammasso della Vergine è il più ricco ammasso di galassie tra quelli più vicini al nostro Gruppo Locale. Si tratta di un tipico ammasso ricco, con circa 1500 galassie membri conosciute; la sua grande massa è causa delle grandi velocità peculiari di molte delle sue galassie, a volte fino a 1600 km/s (rispetto al centro dell'ammasso). Per confronto, lo spostamento verso il rosso dell'ammasso preso nella sua interezza corrisponde a una velocità di soli 1100 km/s. La galassia dominante dell’ammasso è la gigantesca ellittica M87, una galassia attiva il cui diametro è stimato sui 500.000 anni luce, quasi cinque volte quello della Via Lattea, senza contare che il suo volume è ancora più grande in quanto possiede una forma sferoidale (ellittica), mentre la Via Lattea ha la forma di un disco spiraliforme.

Come in altri ammassi ricchi di galassie, il mezzo intergalattico dell'ammasso della Vergine è pieno di plasma a temperature molto elevate (milioni di Kelvin), rilevabili attraverso l'emissione di raggi X, ed un numero relativamente elevato di stelle intergalattiche (circa il 10% della massa totale in stelle dell'ammasso), tra cui un certo numero di nebulose planetarie, che si pensa siano state espulse dalle loro galassie d’origine a causa delle interazioni gravitazionali con altre galassie. Sono presenti anche vere e proprie regioni di formazione stellare intergalattiche, nonché ammassi globulari, forse strappati per lo più da galassie nane.

Il Superammasso della Vergine[modifica]

Mappa delle galassie del nostro universo vicino. Laniakea è la parte all'interno del cerchio.

Il Superammasso della Vergine è il superammasso di galassie che contiene l’intero Ammasso della Vergine appena descritto, più il nostro Gruppo Locale e i gruppi di galassie vicini al nostro. Ha la forma di un disco appiattito, con un diametro di circa 100 milioni di anni luce, e contiene circa 100 tra gruppi e ammassi di galassie; prende il nome dall'Ammasso della Vergine, che si trova vicino al suo centro. Il Gruppo Locale si trova al bordo del superammasso e si muove lentamente verso il suo centro.

Osservando gli effetti gravitazionali sui movimenti delle galassie, è possibile stimare la massa totale del Superammasso della Vergine in circa 1015 volte quella del Sole. La sua luminosità è però troppo poca per rendere conto di questa cifra, e si pensa quindi che gran parte della sua massa sia composta di materia oscura.

Un'anomalia gravitazionale conosciuta come il Grande Attrattore si trova da qualche parte nel superammasso. Le osservazioni sono ostacolate dal fatto che la sua posizione lo fa apparire nel nostro cielo proprio nel piano della galassia, dove gas e polveri oscurano la vista.

La densità numerica delle galassie nel Superammasso della Vergine diminuisce con il quadrato della distanza dal suo centro, situato nei pressi dell'ammasso della Vergine, suggerendo che le componenti di questo ammasso non siano disposte in modo casuale. In complesso, la grande maggioranza delle galassie luminose, ossia di grandezza assoluta più brillante di -13, è concentrata in un piccolo numero di nubi di galassie.

Il 98% si trova nelle seguenti undici nubi, elencate in ordine decrescente di galassie luminose: Canes Venatici, Ammasso della Vergine, Virgo II (ramo sud), Leo II, Virgo III, Crater (NGC 3672), Leo I, Leo Minor (NGC 2841), Draco (NGC 5907), Antlia (NGC 2997) e NGC 5643. Delle galassie luminose localizzate nel disco, un terzo si trova nell'ammasso della Vergine, mentre le rimanenti si trovano nella nube Canes Venatici e nella nube Virgo II, con l'aggiunta del piuttosto insignificante gruppo di NGC 5643.

Un'altra utile analogia che corrisponde alla distribuzione osservata è quella delle bolle di sapone. Ammassi piuttosto piatti e superammassi si trovano all'intersezione delle bolle, che sono grandi, approssimativamente sferiche (con diametri dell'ordine di 60-200 milioni di anni luce) e vuote al loro interno. Le strutture filamentose lunghe sembrano essere predominanti; un esempio è il Superammasso Idra-Centauro, il superammasso più vicino al nostro, che inizia ad una distanza di circa 100 milioni di anni luce e si estende fino a 200 milioni di anni luce.

Il Superammasso della Vergine e, di conseguenza anche il Gruppo Locale con la nostra Via Lattea, risulta essere parte del più grande Superammasso Laniakea, detto anche Superammasso Locale.

Laniakea e oltre[modifica]

Il Superammasso Laniakea è, come appena visto, il superammasso di galassie in cui è compreso il Superammasso della Vergine, che contiene a sua volta il Gruppo Locale con la Via Lattea e, di conseguenza, il Sistema solare con la Terra.

I superammassi confinanti con Laniakea sono il Superammasso di Shapley, il Superammasso di Ercole, il Superammasso della Chioma e il Superammasso di Perseo-Pesci, di cui non sono chiari i contorni al momento della scoperta di Laniakea.

A loro volta, il Superammasso Laniakea e alcuni degli altri citati sono compresi all'interno della struttura a filamento chiamata Complesso di Superammassi dei Pesci-Balena, che è una delle più grandi strutture conosciute dell'Universo.

Laniakea fu individuato nel settembre 2014, quando un gruppo di astronomi pubblicò uno studio su un nuovo metodo per la definizione dei superammassi in accordo con le velocità relative delle galassie. La nuova definizione riduce il già esteso Superammasso della Vergine ad una mera appendice della megastruttura oggi nota come Laniakea, che a sua volta non è che una frazione dell’immenso complesso Pesci-Balena.



Illustrazione che mostra gli ammassi e i superammassi di galassie entro un raggio di un miliardo di anni luce dalla Via Lattea.