Il lato oscuro della Via Lattea
E' il 1978, e all'Università della California, a Berkeley, vi sono tre giovani astrofisici riuniti attorno ad un tavolo. Uno di essi è Leo Blitz, un giovane appena laureatosi che sta lavorando sul suo primo vero progetto. Gli altri due sono conosciuti in tutta la comunità scientifica come esperti della nostra galassia. Si tratta dell'allora 35enne Frank Shu e di Ivan R. King, leggermente più vecchio. Sul tavolo vi è un grafico compilato a mano sulle velocità di rotazione di alcune nubi di gas piene di stelle in formazioni ubicate nella periferia della nostra galassia. I dati rivelavano qualcosa di rivoluzionario che avrebbe per sempre cambiato la nostra visione dell'Universo.
Oggi diamo per scontato che la materia oscura esiste nell'Universo e, anzi, è diffusissima. Ma gli astronomi ci misero un po' a capirlo e anche ad accettarlo, e furono proprio studi come questo condotti tra gli anni '70 e gli anni '80 che rivoluzionarono l'astronomia moderna. Grazie a molteplici osservazioni, sappiamo che la materia oscura – una forma di materia misteriosa che non emette né assorbe luce e che si può scoprire solo grazie alla sua influenza gravitazionale – è 5 volte più comune della materia ordinaria (protoni, elettroni eccetera).
Oggi diamo per scontato che la materia oscura esiste nell'Universo e, anzi, è diffusissima. Ma gli astronomi ci misero un po' a capirlo e anche ad accettarlo, e furono proprio studi come questo condotti tra gli anni '70 e gli anni '80 che rivoluzionarono l'astronomia moderna. Grazie a molteplici osservazioni, sappiamo che la materia oscura – una forma di materia misteriosa che non emette né assorbe luce e che si può scoprire solo grazie alla sua influenza gravitazionale – è 5 volte più comune della materia ordinaria (protoni, elettroni eccetera).
La materia oscura è un efficace indicatore della nostra «ignoranza». Le teorie più conservatrici affermano che sia composta da un'esotica particella ancora da scoprire, mentre quelle più radicali prevedono considerevoli aggiustamenti alle teorie di Newton e Einstein, che si rivelerebbero quindi in gran parte errate.
Qualunque sia la sua natura, la materia oscura certamente ci nasconde le chiave per risolvere molti misteri. Fra questi, ne spicca uno molto rilevante: perché la nostra galassia ha questa forma stravagante e deformata? Gli astronomi infatti hanno scoperto circa mezzo secolo fa che le regioni esterne della nostra galassia sono deformate come un giradischi in vinile lasciato a lungo tempo su una fonte di calore come un termosifone. Gli astronomi non sono potuti risalire ad un modello fattibile di questa deformazione, finché non abbiamo appreso gli effetti della materia oscura.
Vi è inoltre un altro mistero molto importante sulla nostra galassia: secondo i modelli computerizzati che prevedono gli effetti e le conseguenze della presenza di materia oscura, la nostra galassia dovrebbe essere circondata da centinaia o addirittura da migliaia di piccole galassie satellite. Eppure, ne conosciamo solo due dozzine circa. Data questa enorme discrepanza fra i risultati previsti e quelli osservati, gli astronomi si sono chiesti se le nostre nozioni sulla materia oscura siano errate oppure siano troppo poche. Ma ultimamente i ricercatori stanno scoprendo decine di galassie satellite, diminuendo la differenza fra previsioni e osservazioni. Queste nuove galassie satellite potrebbero risolvere un grandissimo mistero sulla struttura galattica, e potrebbero ancora farci imparare molte cose sulla quantità e la distribuzione della materia nell'Universo.
Un primo passo per capire l'importanza e gli effetti della materia oscura sulla Via Lattea è farsi un quadro generale di come la nostra galassia è organizzata. La materia ordinaria – stelle, pianeti, gas – è riunita principalmente in quattro ubicazioni: un sottile disco, che include il nostro Sole e forma la famosa spirale con i bracci galattici; un nucleo denso, che include anche un buco nero supermassiccio; una protuberanza allungata nota come la «sbarra», che collega il nucleo con i bracci e rende la nostra galassia una galassia a spirale barrata; e una «aureola» sferoidale di vecchie stelle e ammassi che avvolge la nostra galassia. Ma la materia oscura è organizzata in tutt'altro modo.
Nonostante non la possiamo vedere direttamente, dai suoi effetti gravitazionali sulla velocità di rotazione delle stelle gli astronomi hanno determinato che ricopre un'aerea abbastanza sferica che si estende ben oltre l'aureola di stelle, con una concentrazione maggiore nel nucleo e che va via via diminuendo ai confini. Ciò, secondo i nostri calcoli, dovrebbe essere frutto di quello che gli astronomi chiamano una «fusione gerarchica», ossia quando nel giovane Universo le galassie più piccole si unirono a quelle maggiori, come la nostra Via Lattea.
Per molti anni gli astronomi non poterono approfondire le loro nozioni su questo argomento; avevano solo un quadro generale in cui era dipinta una palla enorme e indifferenziata di materiale non identificato. Negli ultimi anni, però, abbiamo raccolto sempre più informazioni sulla materia oscura, e il quadro si è fatto sempre più dettagliato ed interessante. E, oggi, molti sospettano che la materia oscura non abbia quella distribuzione regolarissima come si pensava in precedenza, ma che sia piena di grumi e di regioni spopolate.
Questa distribuzione assolutamente non regolare spiegherebbe l'esistenza – e la grandezza – della deformazione che coinvolge la nostra galassia. Quando parliamo di questa distorsione, è bene sapere che intendiamo una distorsione specifica che influenza i bordi della galassia. A una distanza di circa 50 mila anni luce dal centro, il disco consiste quasi interamente di idrogeno sotto forma di gas, con poche e rare stelle. Alcune osservazioni hanno suggerito che il gas, man mano ci allontaniamo dal centro galattico, questo gas è sempre più storto rispetto al piano della Via Lattea. Ad una distanza di circa 75 mila anni luce, i gas hanno una distorsione di ben 7500 anni luce.
Il gas presente nel disco, mentre orbita attorno al centro galattico, compie anche un movimento di oscillazioni, su e giù rispetto al piano della Via Lattea. Questo insolito moto dura centinaia di milioni di anni, e noi – ovviamente – lo stiamo guardando mentre occupa un solo momento del suo ciclo perpetuo. In sostanza, il disco di gas si comporta come un gong ripreso al rallentatore mentre vibra. E come un gong, può vibrare a diverse frequenze, ognuna corrispondente alla forma di una particolare regione della superficie. Nel 2005, Blitz e i suoi colleghi scoprirono che la deformazione che possiamo osservare nella nostra galassia è il risultato dell'unione di 3 diverse frequenze, la più bassa delle quali è 64 ottave sotto il do centrale. Ciò produce numerosissime asimmetrie: il gas presente in una regione della Via Lattea è ben più lontano dal piano galattico rispetto al gas presente nella regione opposta della nostra galassia.
I radio astronomi che per primi notarono la deformazione negli anni '50 pensarono che la causa fosse l'interazione con la forza gravitazionale esercitata dalle due Nubi di Magellano, le due principali galassie–satellite della Via Lattea. Ciò potrebbe essere possibile, dato che le due nubi orbitano attorno alla Via Lattea fuori dal piano galattico, ma recentemente gli astronomi hanno dimostrato che queste forze sono troppo deboli per causare una così evidente deformazione. Per decenni, la causa di questa distorsione è rimasta un mistero irrisolto.
La scoperta che la nostra galassia contiene molta materia oscura e la diffusione di nuove stime più precise sulla massa delle Nubi di Magellano hanno aperto la porta ad una nuova possibilità. Se il disco di gas si comporta come un gong gigante, il «martello» che lo mette in vibrazione e causa la deformazione e la diversa distribuzione di gas potrebbe essere rappresentato dall'attraversamento delle due galassie–satellite in questione nella regione approssimativamente circolare composta dalla materia oscura («l'aureola» di cui parlavamo nella parte 2).
Le due Nubi lasciano una scia nella regione della materia oscura, proprio come una barca lascia una scia mentre viaggia sull'acqua. Ciò provoca una forte differenza nella distribuzione della materia oscura nell'alone, e di conseguenza gli effetti sulla galassia cambiano di intensità da regione a regione. In sostanza, sono le due Nubi di Magellano la causa della enigmatica deformazione delle regioni esterne gassose, ma si tratta di due fattori indiretti, in quanto la loro influenza è considerevolmente ampliata dalla materia oscura.
Quest'idea fu avanzata per la prima volta nel 1998 da Martin D. Weinberg dell'Università del Massachusetts, il quale – assieme all'autore di questo articolo in lingua inglese, Leo Blitz – la applicò alle osservazioni della nostra galassia e i due astronomi poterono riprodurre anche le tre frequenze. Da ciò dedussero che la forma della nostra galassia non è stabile, ma continua a cambiare a seconda della posizione delle due Nubi di Magellano.
Ma questa deformazione non è l'unica particolarità della Via Lattea. Sembra, infatti, che la distribuzione del gas nelle regioni limitrofe della nostra galassia non sia uniforme, ma bensì asimmetrica. Infatti, in una regione periferica della Via Lattea lo spessore dello strato di gas può essere doppio rispetto allo spessore nella regione opposta (avevamo già introdotto questa particolarità nel terzo episodio della serie). Teoricamente, questa «imperfezione» dovrebbe lentamente correggersi da sola, ma evidentemente c'è una specie di meccanismo nascosto che la mantiene stabile.
Gli astronomi sono a conoscenza di questa deformazione da oltre 30 anni, ma hanno cercato di aggirare il problema fino ad oggi, quando, alla luce della pubblicazione di un nuovo e più dettagliato studio sulla Via Lattea, questa asimmetria è diventata impossibile da ignorare.
Le due spiegazioni più diffuse all'interno della comunità scientifica chiamano entrambe in causa la materia oscura. O la Via Lattea è sferica ma non concentrica con il suo alone di materia oscura, oppure, come suggerito dal Kanak Saha del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics a Garching e da molti suoi colleghi, l'«aureola» composta da questa misteriosa materia è in sé asimmetrica.
Entrambe queste due teorie mettono a rischio l'«antica» teoria molto diffusa fra gli astronomi che ipotizzava che l'alone e la Via Lattea si fossero formati miliardi di anni fa da un'unica, gargantuesca nube di materia; se ciò fosse realmente avvenuto, la nostra galassia e l'agglomerato di materia oscura dovrebbero oggi essere concentrici. Questo enigma fomenta la teoria opposta, ossia che la Via Lattea si sia formata da continue interazioni gravitazionali – e conseguenti fusioni – con galassie minori, un processo che quasi mai porta a risultati simmetrici.
Un modo per confermare quest'ipotesi è quella di studiare i lunghi e sottili fiumi di stelle che si estendono nei bracci esterni della Via Lattea. Queste formazioni sono i resti – molto allungati – di galassie satellite note come nane sferoidali che sono state inghiottite dal campo gravitazionale della Via Lattea e si sono fuse alla nostra galassia (per più informazioni guarda il video sopra).
Un primo passo per capire l'importanza e gli effetti della materia oscura sulla Via Lattea è farsi un quadro generale di come la nostra galassia è organizzata. La materia ordinaria – stelle, pianeti, gas – è riunita principalmente in quattro ubicazioni: un sottile disco, che include il nostro Sole e forma la famosa spirale con i bracci galattici; un nucleo denso, che include anche un buco nero supermassiccio; una protuberanza allungata nota come la «sbarra», che collega il nucleo con i bracci e rende la nostra galassia una galassia a spirale barrata; e una «aureola» sferoidale di vecchie stelle e ammassi che avvolge la nostra galassia. Ma la materia oscura è organizzata in tutt'altro modo.
Nonostante non la possiamo vedere direttamente, dai suoi effetti gravitazionali sulla velocità di rotazione delle stelle gli astronomi hanno determinato che ricopre un'aerea abbastanza sferica che si estende ben oltre l'aureola di stelle, con una concentrazione maggiore nel nucleo e che va via via diminuendo ai confini. Ciò, secondo i nostri calcoli, dovrebbe essere frutto di quello che gli astronomi chiamano una «fusione gerarchica», ossia quando nel giovane Universo le galassie più piccole si unirono a quelle maggiori, come la nostra Via Lattea.
Per molti anni gli astronomi non poterono approfondire le loro nozioni su questo argomento; avevano solo un quadro generale in cui era dipinta una palla enorme e indifferenziata di materiale non identificato. Negli ultimi anni, però, abbiamo raccolto sempre più informazioni sulla materia oscura, e il quadro si è fatto sempre più dettagliato ed interessante. E, oggi, molti sospettano che la materia oscura non abbia quella distribuzione regolarissima come si pensava in precedenza, ma che sia piena di grumi e di regioni spopolate.
Questa distribuzione assolutamente non regolare spiegherebbe l'esistenza – e la grandezza – della deformazione che coinvolge la nostra galassia. Quando parliamo di questa distorsione, è bene sapere che intendiamo una distorsione specifica che influenza i bordi della galassia. A una distanza di circa 50 mila anni luce dal centro, il disco consiste quasi interamente di idrogeno sotto forma di gas, con poche e rare stelle. Alcune osservazioni hanno suggerito che il gas, man mano ci allontaniamo dal centro galattico, questo gas è sempre più storto rispetto al piano della Via Lattea. Ad una distanza di circa 75 mila anni luce, i gas hanno una distorsione di ben 7500 anni luce.
Il gas presente nel disco, mentre orbita attorno al centro galattico, compie anche un movimento di oscillazioni, su e giù rispetto al piano della Via Lattea. Questo insolito moto dura centinaia di milioni di anni, e noi – ovviamente – lo stiamo guardando mentre occupa un solo momento del suo ciclo perpetuo. In sostanza, il disco di gas si comporta come un gong ripreso al rallentatore mentre vibra. E come un gong, può vibrare a diverse frequenze, ognuna corrispondente alla forma di una particolare regione della superficie. Nel 2005, Blitz e i suoi colleghi scoprirono che la deformazione che possiamo osservare nella nostra galassia è il risultato dell'unione di 3 diverse frequenze, la più bassa delle quali è 64 ottave sotto il do centrale. Ciò produce numerosissime asimmetrie: il gas presente in una regione della Via Lattea è ben più lontano dal piano galattico rispetto al gas presente nella regione opposta della nostra galassia.
I radio astronomi che per primi notarono la deformazione negli anni '50 pensarono che la causa fosse l'interazione con la forza gravitazionale esercitata dalle due Nubi di Magellano, le due principali galassie–satellite della Via Lattea. Ciò potrebbe essere possibile, dato che le due nubi orbitano attorno alla Via Lattea fuori dal piano galattico, ma recentemente gli astronomi hanno dimostrato che queste forze sono troppo deboli per causare una così evidente deformazione. Per decenni, la causa di questa distorsione è rimasta un mistero irrisolto.
La scoperta che la nostra galassia contiene molta materia oscura e la diffusione di nuove stime più precise sulla massa delle Nubi di Magellano hanno aperto la porta ad una nuova possibilità. Se il disco di gas si comporta come un gong gigante, il «martello» che lo mette in vibrazione e causa la deformazione e la diversa distribuzione di gas potrebbe essere rappresentato dall'attraversamento delle due galassie–satellite in questione nella regione approssimativamente circolare composta dalla materia oscura («l'aureola» di cui parlavamo nella parte 2).
Le due Nubi lasciano una scia nella regione della materia oscura, proprio come una barca lascia una scia mentre viaggia sull'acqua. Ciò provoca una forte differenza nella distribuzione della materia oscura nell'alone, e di conseguenza gli effetti sulla galassia cambiano di intensità da regione a regione. In sostanza, sono le due Nubi di Magellano la causa della enigmatica deformazione delle regioni esterne gassose, ma si tratta di due fattori indiretti, in quanto la loro influenza è considerevolmente ampliata dalla materia oscura.
Quest'idea fu avanzata per la prima volta nel 1998 da Martin D. Weinberg dell'Università del Massachusetts, il quale – assieme all'autore di questo articolo in lingua inglese, Leo Blitz – la applicò alle osservazioni della nostra galassia e i due astronomi poterono riprodurre anche le tre frequenze. Da ciò dedussero che la forma della nostra galassia non è stabile, ma continua a cambiare a seconda della posizione delle due Nubi di Magellano.
Ma questa deformazione non è l'unica particolarità della Via Lattea. Sembra, infatti, che la distribuzione del gas nelle regioni limitrofe della nostra galassia non sia uniforme, ma bensì asimmetrica. Infatti, in una regione periferica della Via Lattea lo spessore dello strato di gas può essere doppio rispetto allo spessore nella regione opposta (avevamo già introdotto questa particolarità nel terzo episodio della serie). Teoricamente, questa «imperfezione» dovrebbe lentamente correggersi da sola, ma evidentemente c'è una specie di meccanismo nascosto che la mantiene stabile.
Gli astronomi sono a conoscenza di questa deformazione da oltre 30 anni, ma hanno cercato di aggirare il problema fino ad oggi, quando, alla luce della pubblicazione di un nuovo e più dettagliato studio sulla Via Lattea, questa asimmetria è diventata impossibile da ignorare.
Le due spiegazioni più diffuse all'interno della comunità scientifica chiamano entrambe in causa la materia oscura. O la Via Lattea è sferica ma non concentrica con il suo alone di materia oscura, oppure, come suggerito dal Kanak Saha del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics a Garching e da molti suoi colleghi, l'«aureola» composta da questa misteriosa materia è in sé asimmetrica.
Entrambe queste due teorie mettono a rischio l'«antica» teoria molto diffusa fra gli astronomi che ipotizzava che l'alone e la Via Lattea si fossero formati miliardi di anni fa da un'unica, gargantuesca nube di materia; se ciò fosse realmente avvenuto, la nostra galassia e l'agglomerato di materia oscura dovrebbero oggi essere concentrici. Questo enigma fomenta la teoria opposta, ossia che la Via Lattea si sia formata da continue interazioni gravitazionali – e conseguenti fusioni – con galassie minori, un processo che quasi mai porta a risultati simmetrici.
Un modo per confermare quest'ipotesi è quella di studiare i lunghi e sottili fiumi di stelle che si estendono nei bracci esterni della Via Lattea. Queste formazioni sono i resti – molto allungati – di galassie satellite note come nane sferoidali che sono state inghiottite dal campo gravitazionale della Via Lattea e si sono fuse alla nostra galassia (per più informazioni guarda il video sopra).
Il lato oscuro della Via Lattea
Reviewed by Pietro Capuozzo
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3.10.11
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