Evoluzione galattica

Gli studi sulla formazione e sull’evoluzione galattica cercano di fornire delle risposte su come le galassie si siano formate e sul loro percorso evolutivo. Alcune teorie in merito sono ora pienamente accettate, ma in campo astrofisico questo fronte di studio resta ancora aperto.

Formazione galattica

I modelli cosmologici attuali sull’origine e sulle prime fasi dell’Universo si basano sulla teoria del Big Bang. Circa 300.000 anni dopo la temperatura del cosmo si abbassò sino a consentire la formazione degli atomi di idrogeno ed elio: la ricombinazione. Quasi tutto l’idrogeno era neutro (ovvero non ionizzato) e assorbiva la luce, mentre non si era ancora formata nessuna stella; per tale motivo questa fase viene chiamata “età oscura dell’Universo”. Fu dalle fluttuazioni di densità (o irregolarità anisotropiche) di questa materia primordiale che iniziarono ad apparire le prime strutture a grande scala; come risultato, la materia barionica iniziò a condensare con l’alone di materia oscura. Queste strutture primordiali sarebbero poi diventate le galassie che oggi osserviamo.

Processo di formazione

Il processo di formazione galattica è una delle tante questioni ancora aperte in campo astronomico. Le teorie esistenti sono raggruppate in due categorie: top-down e bottom-up. Nelle prime (come nel modello ELS – Eggen–Lynden-Bell–Sandage), le protogalassie si formano a seguito di un vasto e simultaneo collasso gravitazionale durato circa un milione di anni; secondo le altre teorie (come nel modello SZ – Searle-Zinn) invece si formarono inizialmente solo gli ammassi globulari e in seguito alcuni di questi corpi iniziarono a crescere fino a formare le galassie più grandi. Le teorie moderne devono essere modificate per tenere conto della probabile presenza degli aloni di materia oscura.

Dopo la formazione e la contrazione delle prime galassie, al loro interno iniziò ad apparire il primo alone di stelle (dette di popolazione III); queste stelle erano composte da elementi leggeri come idrogeno ed elio in percentuali ancora più elevate rispetto alle stelle attuali, dato che gli elementi pesanti ancora non erano stati sintetizzati, e potrebbero avere avuto una massa notevole, superiore forse a 300 M_☉. Se così fosse, queste stelle avrebbero rapidamente consumato la loro riserva di idrogeno per poi esplodere come supernovae, rilasciando gli elementi più pesanti, prodotti tramite la fusione nucleare (nucleosintesi stellare) nel mezzo interstellare. Questa prima generazione di stelle ionizzò l’idrogeno neutro circostante, creando delle bolle di vento stellare in espansione, che sospinge buona parte del gas ancora presente allontanandolo dalla stella.

Fase post formazione

Secondo il modello “top-down“, circa un miliardo di anni dopo la formazione galattica comparvero le prime strutture tipo:

• gli ammassi globulari
• l’eventuale buco nero supermassiccio
• ed il bulge (centro) galattico, composto da stelle di popolazione II, povere in metalli.

La creazione del buco nero supermassiccio sembra giocare un ruolo fondamentale nell’afflusso di materia che andrà ad accrescere la galassia. Durante questo periodo, all’interno delle galassie si verificò un intenso e diffuso fenomeno di formazione stellare.

Durante i due miliardi di anni seguenti, la materia accumulata si dispose lungo il disco galattico. Una galassia continuerà nel corso della sua esistenza a ricevere materia proveniente dalle nubi ad alta velocità e dalle galassie nane cannibalizzate. Il ciclo della nascita e morte stellare fa lentamente aumentare l’abbondanza di elementi pesanti, che favoriscono la formazione dei pianeti.

L’evoluzione delle Galassie

L’evoluzione galattica può essere interessata da eventi come le interazioni e le collisioni, molto comuni durante le epoche più antiche; la gran parte delle galassie possedeva allora una morfologia peculiare. A causa della grande distanza che intercorre tra le stelle, la quasi totalità dei sistemi stellari nelle galassie in collisione ne risultano indenni.

Tuttavia, le forze mareali e gravitazionali in gioco possono creare delle lunghe correnti di stelle e polveri all’esterno delle galassie interessate, correnti note come “code mareali”; esempi di queste strutture possono essere osservate in NGC 4676 o nelle Galassie Antenne.
Uno di questi eventi interesserà molto probabilmente le due galassie principali del Gruppo Locale, la Via Lattea e la Galassia di Andromeda, le quali si stanno avvicinando alla velocità di 130 km/s e, a seconda del loro movimento laterale, potrebbero collidere tra circa cinque o sei miliardi di anni. Sebbene la Via Lattea non si sia mai scontrata con galassie grandi come la Galassia di Andromeda, ci sono comunque sempre più evidenze del fatto che la nostra Galassia si sia scontrata in passato (e tuttora stia interagendo) con galassie nane minori.

Interazioni su larga scala come queste sono piuttosto rare; col passare del tempo le collisioni fra due galassie di pari dimensioni diventano sempre meno comuni, poiché la distanza tra le galassie tende generalmente ad aumentare. Molte delle galassie più luminose non hanno subito sostanziali cambiamenti negli ultimi miliardi di anni ed anche il tasso di formazione stellare raggiunse il picco massimo cinque miliardi di anni fa.

Evoluzione galattica futura

Attualmente, gran parte dei fenomeni di formazione stellare avvengono nelle galassie più piccole, nelle quali le nubi molecolari contengono un quantitativo di idrogeno ancora piuttosto elevato. Le galassie spirali, come la Via Lattea, producono nuove generazioni di stelle solo se e dove possiedono dense nubi molecolari di idrogeno interstellare; le galassie ellittiche sono quasi del tutto prive di nubi di gas, ragion per cui il loro tasso di formazione stellare è estremamente basso, se non in certi casi assente. L’afflusso di materia che provoca la formazione stellare, soprattutto dalle galassie cannibalizzate, ha un limite. Ufatti, una volta che le stelle avranno convertito l’idrogeno disponibile in elementi più pesanti, i fenomeni di formazione di nuove stelle avranno termine.

Gli astrofisici ritengono le formazioni stellari dureranno per circa cento miliardi di anni, dopo i quali l'”era delle stelle” inizierà a declinare. In questa fase le stelle più piccole e longeve dell’Universo, le deboli nane rosse, termineranno il loro ciclo vitale. Alla fine dell’era delle stelle, le galassie saranno composte solo da oggetti compatti: nane brune, nane bianche tiepide o fredde (“nane nere”) stelle di neutroni e buchi neri; è questa la cosiddetta “era degenere dell’Universo”. Alla fine tutte le stelle potrebbero precipitare all’interno del buco nero supermassiccio centrale, oppure potrebbero essere scagliate nello spazio intergalattico in seguito a collisioni.