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L’evoluzione delle galassie nell’Universo

 

Olivier Le Fèvre

Laboratoire d’Astrophysique, CNRS – Université de Provence, Marseille, France

(articolo realizzato per il sito Futura-Sciences ww w.futura-sciences.com,

tradotto ed adattato da Dario Maccagni)

 

 

Capire la formazione e l’evoluzione delle galassie vuol dire andare alla ricerca delle nostre origini più lontane. E’ nelle stelle che popolano le galassie che si sono formati, nel corso della vita dell’Universo, gli elementi chimici via via più complessi che hanno formato i pianeti di cui almeno uno ospita la vita. Una galassia è una macchina complessa fatta di miliardi di stelle, di gas e di polveri, che interagisce con il suo ambiente in incontri che possono essere violenti, e che può ospitare un buco nero molto massiccio al suo centro.

 

 

Figura 1. Qual è la storia dell’evoluzione delle galassie, dalle galassie raggruppate in grumi poco tempo dopo il Big Bang (a sinistra) che subiscono incontri violenti (al centro), fino alle galassie con braccia a spirale molto regolari alla fine dell’evoluzione? (fotografie del telescopio spaziale Hubble e di ESO-LAM)

 

Uno dei problemi principali dell’Astrofisica moderna è capire qual è la sequenza evolutiva che ha portato alle galassie che osserviamo oggi, come la Via Lattea, la nostra galassia. A nostra disposizione abbiamo importanti mezzi d’osservazione che ci permettono di esplorare l’Universo e il suo contenuto in galassie ad epoche diverse. Andando indietro nel tempo grazie alla velocità finita della luce, siamo in grado di ricostruire più di 13 miliardi di evoluzione.

 

La cosmologia osservativa è un dominio affascinante dove l’esplorazione di territori vergini fa parte del quotidiano dei ricercatori. Le domande che vengono poste sono fondamentali e toccano le nostre origini: come si sono formate le prime stelle e le prime galassie, quale sequenza evolutiva ha portato a galassie come la nostra Via Lattea, e che cosa ha infine prodotto la vita su un pianeta che orbita attorno ad una stella fabbricata da questa gigantesca macchina Universo?

 

Viviamo anni straordinari. Per la prima volta abbiamo elaborato un modello d’Universo, basato sulla teoria del Big Bang, che spiega la parte essenziale delle osservazioni. Dopo decenni di controversie, sembra che abbiamo una misura precisa dell’età dell’Universo, 13,7 miliardi di anni, e del suo contenuto, fatto del 4% di materia “barionica”, ovvero di quegli atomi e molecole che conosciamo bene, del 22% di materia oscura i cui effetti gravitazionali si fanno sentire imperturbabilmente, e del 74% di energia detta oscura, apparentata ad una misteriosa energia del vuoto (Figura 2).

 

 

Figura 2. Composizione dell’Universo, 4% solo sotto forma di atomi che conosciamo, 22% sotto forma di materia oscura della quale possiamo misurare gli effetti gravitazionali, e il 74% rimanente sotto forma di una misteriosa energia oscura.

 

Se mettessimo questi ingredienti e pochi altri in una provetta, accelerando il tempo dovremmo ottenere tutta la “zuppa cosmica” delle stelle e delle galassie. Tutto potrebbe essere iniziato a causa di minuscole fluttuazioni nella densità dell’Universo, dopo le primissime fasi di inflazione e poi di ricombinazione. Queste fluttuazioni vengono ora osservate nella carta del fondo cosmico del cielo la cui temperatura di 2,7 gradi sopra lo zero assoluto (cioè circa -270 gradi centigradi!) è il residuo fossile dell’esplosione primordiale esattamente prevista dalla teoria del Big Bang. Questa temperatura in effetti non è uniforme, misuriamo delle piccolissime fluttuazioni di temperatura, dell’ordine di 1/100000 di grado.

 

 

Figura 3. Cartografia completa del cielo misurata ad una lunghezza d’onda millimetrica da WMAP. In evidenza le fluttuazioni di temperatura del residuo dell’esplosione primordiale, veri nuclei di condensazione di materia a partire dai quali si sono formate le galassie.

 

Il satellite COBE, ed in seguito WMAP, hanno prodotto delle carte dettagliate di queste fluttuazioni su tutto il cielo (Figura 3), ed aspettiamo con impazienza il lancio del satellite europeo Planck per poter avere misure ancora più precise. E’ incredibile come da queste fluttuazioni di temperatura si possano ricavare i parametri fondamentali che descrivono il nostro Universo: la sua età, la quantità di barioni e di materia oscura, la percentuale di questa famosa energia oscura, come pure l’epoca detta di “rionizzazione”. Ognuna delle piccole fluttuazioni presenti in questa carta, che rappresenta l’Universo 300000 anni dopo il Big Bang, in seguito si evolverà sotto l’azione della gravità, e costituirà un alone di materia che cresce inglobando i vicini. E’ a quest’epoca che si pensa che le prime stelle e le prime galassie abbiano potuto cominciare ad assemblarsi e che la loro luminosità abbia potuto dissipare i veli dell’epoca oscura. In ciascun alone di materia, una parte si condensa ad un punto tale che si producono delle reazioni termonucleari e nascono le prime stelle, un’altra parte importante rimane sotto forma di materia oscura (che non irraggia) assicurando così la coesione dell’insieme.

 

 

Figura 4. Una delle fette del sondaggio 2dFGRS realizzato misurando le distanze di più di 250000 galassie (punti blu) in un volume di più di 1,5 miliardi di anni luce attorno a noi. E’ evidente la distribuzione delle galassie in filamenti, ammassi ed altre strutture complesse.

 

 Le galassie si concentrano in gruppi ed in ammassi, in filamenti, mentre alcune regioni dell’Universo rimangono vuote, e così nasce la struttura complessa dell’Universo osservata dai grandi sondaggi di galassie nell’ambiente a noi vicino (sondaggi 2dFGRS, Figura 4; Sloan Digital Sky Survey). Il futuro dell’Universo dipende dalla quantità totale di materia presente nell’Universo. Le misure dell’espansione dell’Universo fatte con WMAP, con quelle boe segnaletiche che sono le Supernovae e con la deviazione gravitazionale che la propagazione della luce subisce a causa della materia lungo la linea di vista, indicano un universo dominato al 74% dall’energia oscura, al 22% dalla materia oscura e al 4% dall’insieme della materia come quella che ci circonda. Per dirla in altro modo, il 74% del contenuto dell’Universo ci è totalmente sconosciuto, abbiamo delle idee ma nessuna prova per il 22%, e ci affanniamo a misurare con precisione l’insieme delle stelle e della galassie che costituiscono l’ultimo 4% sperando di ottenere delle informazioni indirette sul restante 96%!

 

Le simulazioni numeriche che utilizzano i super-calcolatori più potenti del mondo fanno le veci della provetta per gli apprendisti stregoni dell’Universo. Vi si mettono tutti gli ingredienti che caratterizzano l’Universo, vi si aggiunge la gravitazione, i processi fisici che regolano la formazione e la morte delle stelle, e le diverse interazioni fra stelle, gas e polveri. Il risultato è stupefacente per la precisione, le simulazioni riproducono le osservazioni con grande dettaglio. Il “Millenium run”, la più grande simulazione realizzata finora dal consorzio VIRGO contiene più di 10 miliardi di particelle che si sono evolute nelle memorie dei super-calcolatori per parecchie settimane.

 

 

Figura 5. Simulazioni numeriche “Millennium” fatte dalla collaborazione VIRGO. Da sinistra a destra, le fluttuazioni iniziali si sviluppano nel corso del tempo a causa dell’azione della gravità per formare l’insieme delle galassie e del tessuto delle grandi strutture osservate oggi: sono passati più di 13 miliardi di anni tra i due estremi di questa sequenza.

 

Per altro, per quanto siano spettacolari questi risultati nel riprodurre l’Universo a grandi linee (Figura 5, Figura 6), sono ancora lontani dal riprodurre l’insieme delle osservabili e rimangono numerose zone d’ombra, in parte perché i calcolatori non possono che rappresentare ogni galassia con poche particelle, ma anche per la nostra ignoranza dei fenomeni fini che reggono la fisica delle galassie.

 

 

Figura 6. La simulazione “Millennium” mostra con buon dettaglio la complessità della struttura dell’Universo. Sulle scale più grandi l’Universo è uniforme, mentre sulla scala della taglia degli ammassi di galassie la distribuzione di materia è molto disomogenea.

 

E’ veramente seguendo questo scenario teorico supportato dalle simulazioni che sono andate le cose? La sola risposta viene dal confronto continuo tra le previsioni dei modelli teorici e le osservazioni. Le osservabili che delimitano l’evoluzione delle galassie vengono oggi principalmente dall’osservazione del fondo cosmico diffuso, ovvero dalle fluttuazioni di densità presenti all’inizio della vita dell’Universo, e dalle grandi surveys di galassie nell’ambiente a noi vicino, che mostrano il risultato dell’evoluzione di quelle fluttuazioni dopo più di 13 miliardi di anni. Che cosa è successo nell’intervallo fra queste due osservazioni? Le osservazioni odierne sono molto parziali.

 

 

Figura 7. Il cielo che ci circonda visto dalla Sloan Digital Sky Survey: le posizioni nell’Universo di più di 200000 galassie

 

La cartografia dell’Universo è completa per le galassie più brillanti della nostra Via Lattea fino ad una distanza pari a 3 miliardi d’anni nel passato, con le posizioni misurate di più di 250000 galassie. E che ne è dei 10 miliardi di anni rimanenti? I sondaggi dell’Universo sono il principale strumento di esplorazione, ma la sensibilità e l’efficienza degli attuali telescopi non permettono di misurare le posizioni dei miliardi di galassie presenti nell’Universo dopo la ionizzazione. Si fa allora ricorso a tecniche di trivellazione, con cui si esplorano coni dell’Universo più o meno grandi, sperando che siano rappresentativi. In ogni cono si esplora una continuità di epoche, a partire dal nostro ambiente vicino, fino ad un’epoca definita dalla profondità, la luminosità degli oggetti osservati.

 

 

Figura 8. Queste galassie vengono osservate con un telescopio di 2,5m

  

Gli astronomi hanno effettivamente il grande privilegio di poter utilizzare una macchina del tempo estremamente potente, dato che la velocità della luce è finita (~300000 km/s), e più gli oggetti sono lontani, più la luce che emettono impiega tempo per raggiungerci, e dunque li osserviamo quando erano più giovani. Questo carotaggio permette di determinare e confrontare le proprietà delle galassie ad epoche diverse. Evidentemente non sono le medesime galassie, ma se abbiamo costruito bene un campione rappresentativo, senza introdurre errori sistematici nelle osservazioni, possiamo confrontare direttamente le proprietà medie di popolazioni a diverse epoche e dedurre quale è stata la loro evoluzione.

 

Uno dei primi sondaggi realmente rappresentativi è stato il Canada France Redshift Survey, dove sono state misurate le distanze di più di 600 galassie fino ad una profondità che arriva a più della metà dell’età dell’Universo. Per la prima volta è stata messa in evidenza senza ambiguità e quantitativamente l’evoluzione delle proprietà delle galassie: la luminosità, il contenuto in stelle, il raggruppamento nello spazio, evolvono in maniera sostanziale. Nessuna vera sorpresa, ma il sollievo di confermare con dati osservativi doverosamente verificati ciò che grosso modo ci si aspettava dai modelli. Alcuni elementi di sorpresa ci sono comunque stati, in particolare la forte evoluzione del tasso di formazione stellare che è risultato essere dieci volte maggiore di adesso quando l’Universo aveva la metà della sua età attuale.

 

 

Figura 9. L’immagine più profonda del cielo ottenuto col telescopio spaziale Hubble.

 

Dopo questo programma pionieristico, due grandi motivazioni hanno spinto a sviluppare strumenti di ancora maggiori prestazioni: trovare delle galassie sempre più lontano per risalire ai primi oggetti che sono apparsi nell’Universo all’epoca della rionizzazione, e produrre delle carte di grandi volumi di Universo a tutte le epoche lungo la freccia del tempo. Tradotto in imperativi tecnici per gli osservatori, ciò implica l’aumentare la capacità dei telescopi di catturare i flussi luminosi molto deboli e poter misurare molte galassie. C’è lo spettacolare telescopio spaziale Hubble, che ha prodotto le immagini più profonde dell’Universo (Figura 9). Nell’ultima dozzina d’anni una nuova generazione di grandi telescopi è stata realizzata, in particolare i due telescopi Keck sul Mauna Kea alle Hawaii, ciascuno con un specchio collettore di 10m di diametro, ed i quattro telescopi del Very Large Telescope dell’Osservatorio Europeo Australe in Cile, ciascuno con uno specchio del diametro di 8m. Ricordo l’emozione che mi ha preso quando ho visto uno dei grandi specchi di 8m durante la politura alla società Sagem-Reosc, più di 50 metri quadrati di superficie di raccolta levigati con una precisione tale che alla scala della terra le irregolarità dello specchio sarebbero di pochi centimetri! Emozione ancora contemplando i 4 telescopi del VLT dalla piattaforma dell’Osservatorio Paranal, una vera cattedrale della scienza, una finestra sull’Universo.

 

 

Figura 10. Mille spettri di galassie molto distanti ottenuti con lo strumento VIMOS sul Very Large Telescope dell’Osservatorio Europeo Australe. Ogni spettro contiene l’informazione sulla distanza e la composizione in gas e stelle di una galassia (inserto a destra: ingrandimento di uno spettro).

 

Da solo, un telescopio è inutile, bisogna attrezzare il suo piano focale con strumenti sempre più sofisticati (Figura 10). Per sondare l’Universo, un consorzio franco-italiano (di cui lo IASF Milano fa parte), guidato dall’autore di questo articolo, ha proposto di equipaggiare uno dei telescopi di 8m del VLT con uno spettrografo multioggetto capace di misurare la distanza e le proprietà di parecchie centinaia di galassie simultaneamente. Lo strumento VIMOS (acronimo di Visibile Multi-Object Spectrograph) è stato concepito e realizzato da una squadra di abili e capaci ingegneri ed è probabilmente il miglior strumento della sua categoria. VIMOS sfrutta appieno l’occhio gigantesco del VLT, parecchie centinaia di ore di osservazioni per mettere la comunità astronomica europea in situazione di leadership mondiale nei sondaggi dell’Universo profondo. Oggi, parecchi programmi di grandi sondaggi sono in corso, un po’ alla maniera delle bambole russe, sondaggi che coprono una grande superficie di cielo ma poco profondi, accoppiati a sondaggi molto profondi su una piccola superficie.

 

Il sondaggio VIMOS VLT Deep Survey, che stiamo facendo e che impegna più di 30 fra ricercatori, studenti di dottorato e borsisti post-doc, raccoglie informazioni di distanza di più di 100000 galassie, in più coni che coprono più del 90% dell’evoluzione dell’Universo. Abbiamo mostrato come evolvono le galassie diversamente a seconda della loro luminosità o tipo morfologico (ellittiche, spirali o irregolari). Certi risultati sono particolarmente spettacolari. Dimostriamo che importanti effetti ambientali foggiano le galassie, con le galassie ellittiche di preferenza nelle regioni più dense, relazione che non è innata ma si costruisce nel corso del tempo. In maniera sorprendente, abbiamo trovato più galassie di quante lasciassero pensare i precedenti sondaggi nell’Universo molto lontano, da 1 a 2 miliardi di anni dopo il Big Bang.

 

 

Figura 11. Galassie molto distanti identificate dal sondaggio VVDS (nei cerchi), in numero maggiore di quanto si supponesse prima (immagine CFHT-LS).

 

Abbiamo mostrato che ciò era probabilmente causato da pregiudizi osservativi in quei sondaggi, e che dunque l’Universo era capace di formare più stelle di quanto si supponesse finora nelle galassie di grande massa (Figura 11).  Molti altri risultati sono in fase di elaborazione col sondaggio VVDS, come con altri sondaggi complementari, in particolare quelli condotti dalla squadra DEEP2 sul telescopio Keck.

 

Cosa ci riserva il futuro? La corsa alla strumentazione continua. Siamo in una fase senza precedenti nella storia dell’astrofisica, praticamente tutti i domini di lunghezze d’onda sono accessibili all’osservazione, dalle onde radio, fino ai raggi X, passando per il dominio del visibile e del vicino infrarosso. Parecchi nuovi osservatori vedranno la luce nei prossimi anni. ALMA è una grande rete di antenne sensibile ai raggi sub-millimetrici per vedere le prime stelle nascoste nel loro bozzolo di polveri fino a quelle in galassie molto lontane.

 

 

Figura 12. Il futuro telescopio spaziale James Webb, il cui lancio è previsto nel 2014. Con un diametro maggiore di 6m, attrezzato con una camera ed uno spettrografo infrarosso, dovrebbe permettere di vedere le prime galassie che si sono formate nell’Universo.

 

Il James Webb Space Telescope (Figura 12) succederà al telescopio Hubble: con uno specchio di più di 6m di diametro nello spazio, una sensibiità ai raggi infrarossi ed uno spettrografo multi-oggetto, le nostre conoscenze saranno nuovamente rivoluzionate permettendoci di seguire l’emissione luminosa spostata verso il rosso delle galassie appena dopo o durante la rionizzazione, a redshifts di 10-15.  Contemporaneamente, verrà messa in costruzione una nuova generazione di telescopi a terra,con diametri di raccolta giganteschi, fra i 30ed i 50 metri. Il potere di raccolta della luce è tale che si spera di poter osservare in dettaglio la genesi delle prime galassie.