Formazione ed evoluzione della galassia - Galaxy formation and evolution

Lo studio della formazione e dell'evoluzione delle galassie riguarda i processi che hanno formato un universo eterogeneo da un inizio omogeneo, la formazione delle prime galassie, il modo in cui le galassie cambiano nel tempo e i processi che hanno generato la varietà di strutture osservate nelle galassie vicine . Si ipotizza che la formazione di galassie avvenga dalle teorie sulla formazione della struttura , come risultato di minuscole fluttuazioni quantistiche all'indomani del Big Bang . Il modello più semplice in generale accordo con i fenomeni osservati è il modello Lambda-CDM , ovvero il raggruppamento e la fusione consentono alle galassie di accumulare massa, determinandone sia la forma che la struttura.

Proprietà comunemente osservate delle galassie

Diagramma del diapason Hubble della morfologia della galassia

A causa dell'impossibilità di condurre esperimenti nello spazio, l'unico modo per "testare" teorie e modelli di evoluzione delle galassie è confrontarli con le osservazioni. Le spiegazioni su come le galassie si sono formate ed evolute devono essere in grado di prevedere le proprietà osservate e i tipi di galassie.

Edwin Hubble ha creato il primo schema di classificazione delle galassie noto come diagramma del diapason di Hubble. Divise le galassie in ellittiche , spirali normali, spirali barrate (come la Via Lattea ) e irregolari . Questi tipi di galassie presentano le seguenti proprietà che possono essere spiegate dalle attuali teorie sull'evoluzione delle galassie:

  • Molte delle proprietà delle galassie (incluso il diagramma colore-magnitudine delle galassie ) indicano che ci sono fondamentalmente due tipi di galassie. Questi gruppi si dividono in galassie blu formanti stelle che sono più simili a tipi a spirale e galassie rosse non formanti stelle che sono più simili a galassie ellittiche.
  • Le galassie a spirale sono piuttosto sottili, dense e ruotano relativamente velocemente, mentre le stelle nelle galassie ellittiche hanno orbite orientate casualmente.
  • La maggior parte delle galassie giganti contiene un buco nero supermassiccio al centro, la cui massa varia da milioni a miliardi di volte la massa del nostro Sole . La massa del buco nero è legata al rigonfiamento della galassia ospite o alla massa sferoide.
  • La metallicità ha una correlazione positiva con la magnitudine assoluta (luminosità) di una galassia.

C'è un malinteso comune secondo cui Hubble credeva erroneamente che il diagramma del diapason descrivesse una sequenza evolutiva per le galassie, dalle galassie ellittiche attraverso le galassie lenticolari alle galassie a spirale. Questo non è il caso; invece, il diagramma del diapason mostra un'evoluzione dal semplice al complesso senza connotazioni temporali previste. Gli astronomi ora credono che le galassie a disco probabilmente si siano formate per prime, poi si siano evolute in galassie ellittiche attraverso fusioni di galassie.

I modelli attuali prevedono anche che la maggior parte della massa nelle galassie sia costituita da materia oscura , una sostanza che non è direttamente osservabile e potrebbe non interagire con alcun mezzo tranne la gravità. Questa osservazione nasce perché le galassie non potrebbero essersi formate come sono, o ruotare come sono viste, a meno che non contengano molta più massa di quella che può essere osservata direttamente.

Formazione di galassie a disco

La prima fase nell'evoluzione delle galassie è la formazione. Quando una galassia si forma, ha una forma a disco ed è chiamata galassia a spirale a causa delle strutture a "braccio" a spirale situate sul disco. Esistono diverse teorie su come queste distribuzioni di stelle simili a dischi si sviluppino da una nuvola di materia: tuttavia, al momento, nessuna di esse prevede esattamente i risultati dell'osservazione.

Teorie dall'alto

Olin Eggen , Donald Lynden-Bell e Allan Sandage nel 1962 proposero una teoria secondo cui le galassie a disco si formano attraverso un collasso monolitico di una grande nube di gas. La distribuzione della materia nell'universo primordiale era in gruppi costituiti principalmente da materia oscura. Questi gruppi hanno interagito gravitazionalmente, trasmettendo coppie di marea l'una sull'altra che hanno agito per dare loro un certo momento angolare. Quando la materia barionica si è raffreddata, ha dissipato un po' di energia e si è contratta verso il centro. Con il momento angolare conservato, la materia vicino al centro accelera la sua rotazione. Quindi, come una palla di pasta per pizza che gira, la materia si forma in un disco stretto. Una volta che il disco si è raffreddato, il gas non è gravitazionalmente stabile, quindi non può rimanere una singola nuvola omogenea. Si rompe e queste nuvole più piccole di gas formano stelle. Poiché la materia oscura non si dissipa poiché interagisce solo gravitazionalmente, rimane distribuita all'esterno del disco in quello che è noto come l' alone oscuro . Le osservazioni mostrano che ci sono stelle situate all'esterno del disco, che non si adattano perfettamente al modello "impasto per pizza". È stato proposto per la prima volta da Leonard Searle e Robert Zinn che le galassie si formano dalla coalescenza di progenitori più piccoli. Conosciuta come uno scenario di formazione dall'alto verso il basso, questa teoria è abbastanza semplice ma non è più ampiamente accettata.

Teorie dal basso

Teorie più recenti includono il raggruppamento di aloni di materia oscura nel processo dal basso verso l'alto. Invece di grandi nubi di gas che collassano per formare una galassia in cui il gas si scompone in nubi più piccole, si propone che la materia sia iniziata in questi ammassi "più piccoli" (massa dell'ordine degli ammassi globulari ), e poi molti di questi ammassi si siano fusi per formare galassie, che poi sono state attratte dalla gravitazione per formare ammassi di galassie . Ciò si traduce ancora in distribuzioni simili a dischi di materia barionica con materia oscura che forma l'alone per tutte le stesse ragioni della teoria top-down. I modelli che utilizzano questo tipo di processo prevedono più galassie piccole rispetto a quelle grandi, il che corrisponde alle osservazioni.

Gli astronomi attualmente non sanno quale processo arresti la contrazione. In effetti, le teorie sulla formazione delle galassie a disco non riescono a produrre la velocità di rotazione e le dimensioni delle galassie a disco. È stato suggerito che la radiazione proveniente da stelle luminose appena formate o da un nucleo galattico attivo possa rallentare la contrazione di un disco in formazione. È stato anche suggerito che l' alone di materia oscura possa trascinare la galassia, fermando così la contrazione del disco.

Il modello Lambda-CDM è un modello cosmologico che spiega la formazione dell'universo dopo il Big Bang . È un modello relativamente semplice che predice molte proprietà osservate nell'universo, inclusa la frequenza relativa di diversi tipi di galassie; tuttavia, sottovaluta il numero di galassie a disco sottile nell'universo. Il motivo è che questi modelli di formazione delle galassie prevedono un gran numero di fusioni. Se le galassie del disco si fondono con un'altra galassia di massa comparabile (almeno il 15 percento della sua massa) la fusione probabilmente distruggerà, o come minimo interromperà notevolmente il disco, e la galassia risultante non dovrebbe essere una galassia a disco (vedi sezione successiva ). Sebbene questo rimanga un problema irrisolto per gli astronomi, non significa necessariamente che il modello Lambda-CDM sia completamente sbagliato, ma piuttosto che richiede un ulteriore perfezionamento per riprodurre accuratamente la popolazione di galassie nell'universo.

Fusioni di galassie e formazione di galassie ellittiche

Immagine artistica di una tempesta di fuoco di nascita di una stella nel profondo del nucleo di una galassia ellittica giovane e in crescita.
NGC 4676 ( Mice Galaxies ) è un esempio di una fusione attuale.
Le Galassie Antenne sono una coppia di galassie in collisione: i nodi luminosi e blu sono giovani stelle che si sono accese di recente a seguito della fusione.
ESO 325-G004 , una tipica galassia ellittica.

Le galassie ellittiche (come IC 1101 ) sono tra le più grandi finora conosciute. Le loro stelle sono su orbite orientate casualmente all'interno della galassia (cioè non ruotano come le galassie a disco). Una caratteristica distintiva delle galassie ellittiche è che la velocità delle stelle non contribuisce necessariamente all'appiattimento della galassia, come nelle galassie a spirale. Le galassie ellittiche hanno buchi neri supermassicci centrali e le masse di questi buchi neri sono correlate alla massa della galassia.

Le galassie ellittiche hanno due fasi principali dell'evoluzione. Il primo è dovuto al buco nero supermassiccio che cresce con l'accumulo di gas di raffreddamento. Il secondo stadio è caratterizzato dalla stabilizzazione del buco nero sopprimendo il raffreddamento del gas, lasciando così la galassia ellittica in uno stato stabile. La massa del buco nero è anche correlata a una proprietà chiamata sigma che è la dispersione delle velocità delle stelle nelle loro orbite. Questa relazione, nota come relazione M-sigma , è stata scoperta nel 2000. Le galassie ellittiche per lo più mancano di dischi, sebbene alcuni rigonfiamenti delle galassie a disco assomiglino alle galassie ellittiche. Le galassie ellittiche si trovano più probabilmente in regioni affollate dell'universo (come gli ammassi di galassie ).

Gli astronomi ora vedono le galassie ellittiche come alcuni dei sistemi più evoluti dell'universo. È ampiamente accettato che la principale forza trainante per l'evoluzione delle galassie ellittiche sia la fusione di galassie più piccole. Molte galassie nell'universo sono legate gravitazionalmente ad altre galassie, il che significa che non sfuggiranno mai alla loro reciproca attrazione. Se le galassie sono di dimensioni simili, la galassia risultante apparirà simile a nessuna delle due progenitrici, ma sarà invece ellittica. Esistono molti tipi di fusioni di galassie, che non portano necessariamente a galassie ellittiche, ma determinano un cambiamento strutturale. Ad esempio, si pensa che si stia verificando un evento di fusione minore tra la Via Lattea e le Nubi di Magellano.

Le fusioni tra galassie così grandi sono considerate violente e l'interazione per attrito del gas tra le due galassie può causare onde d'urto gravitazionali , che sono in grado di formare nuove stelle nella nuova galassia ellittica. Sequenziando diverse immagini di diverse collisioni galattiche, è possibile osservare la linea temporale di due galassie a spirale che si fondono in un'unica galassia ellittica.

Nel Gruppo Locale , la Via Lattea e la Galassia di Andromeda sono legate gravitazionalmente e attualmente si avvicinano l'una all'altra ad alta velocità. Le simulazioni mostrano che la Via Lattea e Andromeda sono in rotta di collisione e si prevede che si scontreranno tra meno di cinque miliardi di anni. Durante questa collisione, si prevede che il Sole e il resto del Sistema Solare verranno espulsi dal suo percorso attuale attorno alla Via Lattea. Il resto potrebbe essere una galassia ellittica gigante.

Tempra galattica

La formazione stellare in quelle che ora sono galassie "morte" è scoppiata miliardi di anni fa.

Un'osservazione (vedi sopra) che deve essere spiegata da una teoria riuscita dell'evoluzione delle galassie è l'esistenza di due diverse popolazioni di galassie sul diagramma colore-magnitudine delle galassie. La maggior parte delle galassie tende a cadere in due posizioni separate su questo diagramma: una "sequenza rossa" e una "nube blu". Le galassie di sequenza rossa sono generalmente galassie ellittiche non formatrici di stelle con pochi gas e polvere, mentre le galassie delle nuvole blu tendono ad essere galassie a spirale polverose che formano stelle.

Come descritto nelle sezioni precedenti, le galassie tendono ad evolversi da una struttura a spirale a una ellittica tramite fusioni. Tuttavia, l'attuale tasso di fusioni di galassie non spiega come tutte le galassie si muovano dalla "nube blu" alla "sequenza rossa". Inoltre, non spiega come cessa la formazione stellare nelle galassie. Le teorie sull'evoluzione delle galassie devono quindi essere in grado di spiegare come si disattiva la formazione stellare nelle galassie. Questo fenomeno è chiamato "quenching" delle galassie.

Le stelle si formano dal gas freddo (vedi anche la legge di Kennicutt-Schmidt ), quindi una galassia si spegne quando non ha più gas freddo. Tuttavia, si pensa che l'estinzione avvenga in tempi relativamente brevi (entro 1 miliardo di anni), che è molto più breve del tempo che impiegherebbe una galassia per esaurire semplicemente il suo serbatoio di gas freddo. I modelli di evoluzione della galassia spiegano questo ipotizzando altri meccanismi fisici che rimuovono o interrompono la fornitura di gas freddo in una galassia. Questi meccanismi possono essere classificati in due categorie: (1) meccanismi di feedback preventivo che impediscono al gas freddo di entrare in una galassia o di produrre stelle e (2) meccanismi di feedback ejective che rimuovono il gas in modo che non possa formare stelle.

Un meccanismo preventivo teorizzato chiamato "strangolamento" impedisce al gas freddo di entrare nella galassia. Lo strangolamento è probabilmente il meccanismo principale per spegnere la formazione stellare nelle vicine galassie di piccola massa. L'esatta spiegazione fisica dello strangolamento è ancora sconosciuta, ma potrebbe avere a che fare con le interazioni di una galassia con altre galassie. Quando una galassia cade in un ammasso di galassie, le interazioni gravitazionali con altre galassie possono strangolarla impedendole di accumulare più gas. Per le galassie con aloni massicci di materia oscura , un altro meccanismo preventivo chiamato " riscaldamento da shock virale " può anche impedire al gas di diventare abbastanza freddo da formare stelle.

I processi di espulsione, che espellono il gas freddo dalle galassie, possono spiegare come vengono spente le galassie più massicce. Un meccanismo di espulsione è causato dai buchi neri supermassicci trovati nei centri delle galassie. Le simulazioni hanno mostrato che il gas che si accumula sui buchi neri supermassicci nei centri galattici produce getti ad alta energia ; l'energia rilasciata può espellere abbastanza gas freddo per estinguere la formazione stellare.

La nostra Via Lattea e la vicina Galassia di Andromeda sembrano attualmente in fase di transizione dalle galassie blu formatrici di stelle alle galassie rosse passive.

Galleria

Guarda anche

Ulteriori letture

  • Mo, Houjun; van den Bosch, Frank; White, Simon (giugno 2010), Formazione ed evoluzione della galassia (1 ed.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932

Riferimenti

link esterno