premessa  di Bart J. Bok

Dai dati oggi disponibili sembra corretto concludere che la curva di rotazione della Via Lattea raggiunge un valore di 230 Km al secondo a 8500 parsec. La distanza dal centro galattico che contraddistingue la posizione del sole. Da tale posizione, la velocità di rotazione continua ad aumentare per raggiungere 300 Km al secondo a una distanza di 20000 parsec. Molti oggetti più lontani di 20000 parsec sono visibili; un elenco è stato pubblicato dalla Unione Astronomica Internazionale nel 1979. Quattro ammassi globulari si trovano tra 20 e 40mila parsec dal centro galattico, la grande Nube di Magellano e due ammassi globulari si trovano  tra 40 e 60mila parsec; due galassie nane sferoidali e la Piccola Nube di Magellano si trovano tra 60 e 80mila parsec. Altre quatto galassie nane sferoidali e due ammassi globulari si trovano tre i 100 e 220mila parsec, ma la loro appartenenza alla corona della via lattea è più incerta.

La formazione della Via Lattea

L'evoluzione: I tentativi di stabilire in che modo la via lattea si sia formata e abbia  cominciato a evolversi assomigliano allo studio di un antica civiltà sepolta sotto il centro tumultuoso d'una città moderna in continua trasformazione.  

di: di:Sidney van den Bergh e James Hesser -

Si tratta di ricostruire, a partire da tracce di fondamenta, qualche coccio e poche ossa, come nascessero, crescessero e morissero i nostri antenati, e in che modo possono avere contribuito a dare origine alla cultura viva. Come gli archeologi, anche gli astronomi devono basarsi su una miriade di piccoli indizi per determinare come la Via Lattea e le sue simili siano nate circa un miliardo di anni dopo il big bang e come abbiano assunto la loro forma attuale. Gli indizi, in questo caso, sono l'età, la distribuzione e la composizione chimica di stelle e ammassi stellari, tutto ciò si ricava attraverso l'osservazione di parametri quali il colore e la luminosità. Inoltre anche la forma e le caratteristiche fisiche delle altre galassie, possono aiutarci indirettamente a capire come sia avvenuta la formazione della nostra, i dati disponibili, inducono a ritenere che la nostra galassia, sia nata in seguito collasso di una grande nube di gas, ma è chiaro che le cose non stanno semplicemente in questi termini. Recenti osservazioni hanno costretto i sostenitori dell'ipotesi di un collasso rapido e semplice a modificare sostanzialmente la propria posizione. Altri studiosi, sulla base di queste stesse novità, ritengono che sia stata una fusione di diversi segmenti di nube a dare origine alla protogalassia, che poi si sarebbe contratta. Altri ancora sviluppano alacremente variazioni sull'uno o sull'altro tema. Tutti i ricercatori, indipendentemente dalle loro convinzioni, riconoscono comunque il contributo che la nascita delle stelle e le esplosioni di supernova hanno dato alla formazione della via lattea, e l'influsso che tali fenomeni ancora esercitano sulla sua struttura e il suo destino.
Gran parte delle informazioni di "archeologia stellare" cui si affidano agli astronomi per decifrare l'evoluzione della galassia, si trova in due regioni particolari, l'alone e il disco. L'alone è una regione sferica in lenta rotazione che circonda tutto il resto della galassia, ed è costituita da stelle e ammassi molto vecchi. La regione a rotazione rapida sul piano equatoriale è il disco, fatto di stelle giovani sia di età intermedia e inoltre di gas e polvere interstellare. I bracci curvati a falce che contraddistinguono le galassie a spirale come la via lattea, si trovano appunto nel disco. Una delle stelle di <<mezza età>> è il sole, che è posto a circa 25.000 anni luce dal centro galattico. (osservando il cielo notturno, il centro galattico si trova in direzione della costellazione del Sagittario). Il sole impiega circa 200 milioni di anni per compiere un'orbita intorno al centro. Il fatto che il sole faccia parte della via lattea è stato scoperto meno di 70 anni fa. A quell'epoca lo svedese Bertil Lindblad e l'olandese Jan H. Oort, formularono l'ipotesi che la via lattea fosse una galassia appiattita, animata da rotazione differenziale. Alcuni anni dopo, Jhon S. Plaskett e Joseph A. Pearce del Dominion Astrophysical Observatory, raccolsero tre decenni di osservazioni sui moti stellari e confermarono la descrizione di Lindblad-Oort. Oltre al disco e l'alone, la galassia contiene altri due sottosistemi: un rigonfiamento centrale formato prevalentemente da stelle vecchie e, -all'interno di questo-, un nucleo. Quest'ultimo è quasi sconosciuto a causa delle dense nubi di gas del rigonfiamento che lo nascondono. Il nucleo di alcune galassie a spirale, compresa la via lattea, potrebbe contenere un buco nero; quello che forse si trova nel nucleo non raggiungerebbe comunque la massa dei buchi neri che fungono, a quanto si crede, da nuclei ad alta energia dei quasar.
Tutte e quattro le componenti della galassia sembrano immersi in una grande aura oscura di materia invisibile. In quasi tutte le galassie a spirale la massa di questa aura invisibile supera di un ordine di grandezza quella di tutte le stelle e i gas visibili del sistema. La natura della materia oscura è attualmente oggetto di aspri dibattiti. Gli indizi sulla formazione della via lattea sono contenuti proprio queste componenti. Forse l'unica ipotesi che raccoglie un consenso generale è che rigonfiamento si sia formato per primo, per il collasso di una nube di gas. In fondo il rigonfiamento contiene perlopiù stelle vecchie di grande massa. Più problematico risulta invece stabilire quando e come si siano formati il disco e l'alone. Nel 1958 Oort propose un modello secondo il quale la popolazione delle stelle che si erano formate nell'alone si sarebbe disposta in struttura appiattita, uno spesso disco poi assottigliatosi. nel frattempo l'alone era alimentato da nuove stelle condensatesi dall'idrogeno residuo. Altri astronomi preferiscono però una teoria secondo cui le popolazioni si mantengono distinte, senza confondersi l'una nell'altra: in particolare V. G. Berman e A. A. Suchkov dell'Università statale di Rostov, in Russia, hanno delineato in che modo il disco e l'alone avrebbero potuto svilupparsi mantenendosi separati. Questi ricercatori ipotizzano che vi sia stata una soluzione di continuità tra la formazione delle stelle dell'alone e del disco. Secondo questo modello, un forte vento alimentato da esplosioni di supernova avrebbe impedito la formazione di stelle nel disco per qualche miliardo di anni e, così facendo, avrebbe espulso una frazione significativa della massa della protogalassia nello spazio intergalattico. Un processo simile potrebbe essere avvenuto nella grande nube di Magellano, una delle piccole galassie e satelliti della nostra, dove sembra che tra la prima ondata di formazione stellare, che diede vita a quegli aggregati di stelle vecchie che sono gli ammassi globulari, e la fase più recente di formazione delle stelle del disco sia trascorso un periodo di quasi 10 miliardi di anni. Altre scoperte corroborano l'ipotesi che le componenti galattiche siano separate. per esempio M33, una galassia a spirale vicino alla Via Lattea, possiede uno non è mai priva di un rigonfiamento centrale, una caratteristica che indica come l'alone non sia semplicemente un'estensione della struttura interna, come molti credevano fino a poco tempo fa. Nel 1962 venne proposto modello che funse da paradigma per molti ricercatori. Secondo i suoi autori - Olin J. Eggen, oggi presso il National Optical Astronomical Observatories, Donald Lynden-Bell dell'Università di Cambridge e Allan R. Sandage della Canergie Institution - la via lattea si sarebbe formata dal rapido collasso, durato qualche centinaio di milioni di anni, di una grande nube di gas in rotazione. Via via che le nube si contraeva, la protogalassia ruotava sempre più velocemente, e questa rotazione creò i bracci di spirale e si osservano oggi. All'inizio la nube era formata solo da atomi di idrogeno ed elio prodotti nei primi istanti del big bang, le condizioni di temperatura e pressione estremamente elevate, ma col tempo la galassia cominciò a generare stelle di grande massa a vita breve, che modificarono la composizione della materia galattica. Così le generazioni successive di stelle, compresa quella a cui appartiene il sole, contengono quantità significative di elementi più pesanti dell'elio. Il modello ottenne un successo notevole, ma osservazioni fatte negli ultimi trent'anni hanno sollevato vari problemi. Per cominciare, si è scoperto che gran parte delle stelle e degli ammassi stellari più vecchi dell'alone si muove di moto retrogrado, cioè ruotano intorno al centro galattico con verso opposto a quello della maggioranza degli altri oggetti. L'esistenza di simili orbite induce a ritenere che la protogalassia fosse notevolmente disomogenea e turbolenta, o che abbia catturato addensamenti gassosi di dimensioni ragguardevoli composti da materia che si muoveva in direzione diversa. In secondo luogo, modelli dinamici più raffinati indicano che la protogalassia non avrebbe comunque subito il collasso in maniera semplice e regolare come previsto dal modello: le parti più dense sarebbero cadute verso il centro più velocemente di quelle rarefatte. Il terzo punto è che la scala dei tempi di formazione delle galassie potrebbe essere stata più lunga di quanto ritengano Eggen e colleghi. Tra le cause del rallentamento potrebbero esservi esplosioni di supernova, venti di plasma che avevano origine da stelle effimere di grande massa e l'emissione di energia proveniente da un nucleo galattico estremamente attivo la Via Lattea potrebbe anche essersi <<rigenerata>> assorbendo grande quantità di gas intergalattico e catturando piccole galassie satelliti e ricche di gas. Vari ricercatori hanno cercato di elaborare scenari compatibili con queste scoperte. Alar Toomre del Massachusetts Institute of Technology,  ha proposto nel 1977 che gran parte delle galassie si sia formata dalla fusione di numerosi grandi frammenti anziché dal collasso di un'unica nube di gas protogalattica.

Dopo essersi fuse in questo modo le nubi di gas sarebbero collassate evolvendosi nella Via Lattea che oggi vediamo. Leonard Searle della Canergie Institution e Robert J. Zinn della Yale University hanno proposto un quadro un po' diverso, nel quale frammenti che si aggregano sono più piccoli e numerosi. In base a queste ipotesi, è possibile che i frammenti ancestrali abbiano avuto una evoluzione chimica particolare: se nei diversi frammenti le stelle avessero cominciato a brillare e le supernove avessero cominciato esplodere in momenti diversi, allora ciascun frammento originario conserverebbe una <<firma>> chimica caratteristica. Alcuni studi compiuti ultimamente da uno di noi (van den Bergh) indicano che in effetti tra le popolazioni di stelle dell'alone galattico si osservano davvero differenze simili.
Il dibattito sull'evoluzione della Via Lattea non registrò progressi degni di nota fino agli anni 80, quando divenne possibile ottenere immagini di oggetti estremamente deboli con un'accuratezza senza precedenti. Si tratta di un passo avanti cruciale perché le teorie fisiche sulla produzione di energia delle stelle - e le stime dell'età e della durata della vita stellare che ne dipendono - sono più attendibili per le stelle appartenenti alla sequenza principale. Queste stelle bruciano idrogeno nel proprio nucleo e in generale si allontanano dalla sequenza principale tanto più in fretta quanto più grande è la loro Massa. Purtroppo ciò significa che le uniche stelle dell'alone che si trovano ancora nella sequenza principale sono estremamente piccole e deboli: le più grandi e luminose, che hanno esaurito l'idrogeno e sono uscite dalla sequenza principale, sono diventate invisibili ormai da lunga data. Di solito, per determinare l'età delle stelle, si usano di preferenza quelle degli ammassi perché se ne può stabilire la distanza con precisione molto maggiore che per le stelle isolate. Il mezzo tecnico che ha permesso di avviare lo studio delle stelle estremamente deboli dell'alone si chiama dispositivo a scorrimento di carica o CCD si tratta di un tipo di rivelatore estremamente sensibile che produce immagini per via elettronica convertendo l'intensità della luce in corrente elettrica.  Può darsi che i modelli correnti della formazione della Via Lattea siano più di uno. È possibile cioè che quello di Eggen, Lynden-Bell e Sandage sia valido per il rigonfiamento e l'alone interno, il terzo, mentre le regioni più rarefatte della galassia potrebbero essersi sviluppate per fusione di frammenti, secondo gli schemi delineati da Toomre e da Searle e Zinn. Se così fosse, gli ammassi dell'alone interno si sarebbero formati prima di quelle delle regioni esterne meno dense, e ciò spiegherebbe alcune delle differenze di età riscontrate tra ammassi globulari. Per affinare ulteriormente i modelli potrebbe però essere necessario attendere il miglioramento della qualità delle immagini che si dovrebbe avere dopo le riparazioni al telescopio spaziale. Non basta tuttavia riconoscere l'età dell'alone per descriverne dettagliatamente la formazione; occorre conoscere anche l'età del disco e fare gli opportuni confronti. Mentre per stabilire la prima sono utili gli ammassi globulari, per la seconda si ricorre un altro tipo di corpo celeste, le nane bianche molto deboli. L'assenza di nane bianche nella regione di disco vicino al sole pone un limite inferiore all'età del disco: le nane bianche infatti, che non producono più energia radiante, impiegano molto tempo per raffreddarsi, e quindi la loro assenza significa che la popolazione del disco e piuttosto giovane, cioè a meno di 10 miliardi di anni circa. Si tratta di un valore decisamente inferiore all'età degli ammassi dell'alone, ed è quindi compatibile con l'idea che gran parte del disco galattico si sia sviluppata successivamente all'alone. Non è ancora chiaro, tuttavia, se sia davvero trascorso un certo intervallo di tempo e alla fine della formazione dell'alone dell'inizio dello sviluppo del disco primitivo più spesso. Per valutare la durata di questo periodo di transizione si è confrontata l'età delle stelle più vecchie del disco con quella delle più giovani dell'alone. Secondo Pierre Demarque e David B. Guenther di Yale, ed Elizabeth M. Green dell'Università dell'Arizona, di ammassi stellari più vecchi che si conoscono nel disco, NGC 188 e NGC 6791, hanno un'età quasi di 8 miliardi di anni. ilendo che i più giovani, Palomar 12 e Ruprecht 106, hanno circa 11 miliardi di anni. Se questa differenza di pochi miliardi di anni è reale, può darsi che gli ammassi globulari giovani costituiscano veramente l'anello mancante tra la popolazione del disco galattico e quella dell'alone. A tutt'oggi, però, si è riusciti a stimare con precisione l'età relativa solo di pochi ammassi globulari. Finché questa situazione si protrae, si può ipotizzare anche che Palomar 12 (foto qui a dx) e Ruprecht 106 siano realtà ammassi globulari delle nubi di Magellano catturati dalla Via Lattea a causa di effetti di marea. Questa spiegazione, proposta da Douglas N. C. Lin dell'Università della California a Santa cruz e Harvey B. Richer dell'Università della British Columbia, eliminerebbe la necessità di postulare un collasso prolungato. Inoltre la differenza di età tra alone il disco potrebbe essere illusoria: non si può escludere che i metodi di datazione nascondano errori sistematici non rilevati. Ancora, le interazioni gravitazionali con nubi interstellari di grande massa potrebbero aver smembrato gli ammassi più vecchi del disco, risparmiando solo i più giovani. La determinazione delle età relative dell'alone e del disco rivelano numerosi aspetti della serie di fenomeni che ha portato alla formazione della Via Lattea, ma d'altra parte lascia aperto il problema della sua età complessiva. Una risposta a questa domanda fornirebbe un quadro di riferimento assoluto utile anche per indagare meglio la successione degli eventi. La maggior parte degli astronomi che studia gli ammassi stellari tende a indicare per l'età dei più vecchi (e quindi della galassia stessa) un valore compreso tra 15 e 17 miliardi di anni. A rafforzare la speranza che queste stime assolute di età siano realistiche vengono le misurazioni dell'abbondanza relativa degli isotopi radioattivi nelle meteoriti: il rapporto tra torio 232 e uranio 235, quello tra uranio 235 e uranio 238 e quello tra uranio 238 e plutonio 244 fungono da orologi cosmici che collocano l'età della galassia e 10 e 20 miliardi di anni. Per quanto queste stime siano considerate meno precise di quelle ottenute confrontando osservazioni e modelli delle stelle, la concordanza tra i due valori è incoraggiante. L'esame della forma delle altre galassie promette di sciogliere almeno in parte i dubbi sulla interpretazione dell'evoluzione della nostra. Più esattamente, lo studio delle altre galassie offre un punto di vista altrimenti inaccessibile a noi che nella via lattea abitiamo: una vista dall'esterno. Inoltre le informazioni così ottenute si possono confrontare con quelle relative alla Via Lattea per vedere se i processi che l'hanno creata sono unici. L'osservazione più immediata che si possa fare sulle galassie e che ce ne sono di varie forme. Nel 1925 Edwin P. Hubble scoprì che le galassie luminose si possono disporre in una successione ordinata secondo la loro conformazione, ellittica, a spirale o irregolare. Da un punto di vista evolutivo le galassie ellittiche sono quelle più progredite: hanno consumato tutto(o quasi) il proprio gas per produrre stelle che hanno un'età compresa probabilmente tra 10 e 15 miliardi di anni. Diversamente da quelle a spirale, le galassie ellittiche non posseggono una struttura a disco. La differenza principale tra le galassie e spirale di quelle irregolari, invece, è che queste ultime sono prive sia dei bracci di spirale sia di un nucleo compatto. La morfologia delle galassie può essere interpretata in termini di velocità di conversione del gas in stelle. La determinazione della velocità con cui viene consumato il gas sarebbe utile per corroborare le stime dell'età della via lattea e le descrizioni della sua storia. Sembra che nelle galassie ellittiche la formazione di stelle sia iniziata in modo rapido circa 15 miliardi di anni fa per poi rallentare bruscamente nella maggior parte delle galassie irregolari invece la nascita delle stelle ha avuto luogo molto più lentamente e a un ritmo molto più uniforme, sicché esse conservano tuttora una percentuale significativa del gas originario. La velocità di formazione delle stelle nella galassia a spirale rappresenta probabilmente una via di mezzo: la formazione delle stelle deve essere cominciata più lentamente che nelle galassie ellittiche e continua ancora oggi. Le galassie a spirale si suddividono ulteriormente in tre categorie, Sa, Sb e Sc, che rispecchiano le dimensioni relative del rigonfiamento centrale e il grado di avvolgimento dei bracci di oggetti del tipo Sa hanno il rigonfiamento più grande e i bracci più serrati; contengono inoltre idrogeno neutro e una piccola quantità di stelle blu giovani. Le spirali Sb hanno una popolazione relativamente folta di stelle blu giovani nei bracci mentre il rigonfiamento centrale, che contiene stelle rosse vecchie, è meno evidente che nelle Sa. Nelle galassie Sc, infine, l'emissione luminosa proviene principalmente dalle stelle blu giovani dei bracci di spirale: la popolazione del rigonfiamento è poco evidente o assente. La via lattea si trova probabilmente in una situazione intermedia tra le spirali Sb e Sc. Sembra che le informazioni ottenute dall'osservazione di altre galassie e spirale siano compatibili con i dati relativi alla via lattea come nella nostra galassia, anche nelle altre e stelle del rigonfiamento centrale sono le più vecchie, il che indica che le regioni interne e più dense della nube di gas hanno subito per prime il collasso. Quasi tutto il gas presente in origine nei pressi del centro è stato quindi trasformato in stelle. Espulso dai venti stellari generati dalle supernove.
Esiste un altro tipo di indizi su cui basarsi per capire la genesi della via lattea: la composizione chimica delle stelle, e può aiutare a determinare l'età relativa delle varie popolazioni stellari. Secondo i modelli, la composizione chimica di una stella dipende infatti da quando essa si è formata. La differenza deriva dal fatto che le stelle della prima generazione cominciarono a <<inquinare>> la galassia con elementi più pesanti dell'elio. Questi elementi pesanti, o <<metalli>>, come li chiamano gli astronomi, erano stati creati nell'interno delle stelle o durante le esplosioni di supernova. Lo studio della composizione delle stelle permette quindi di determinare storie che vuol dire che possono confermare o confutare le valutazioni dell'età basate su altre fonti. Le varie specie di stelle e di supernove producono metalli in proporzioni diverse. Si ritiene che le supernove un tipo Ia abbiano generato la maggior parte degli elementi del <<picco del ferro>> (appartenenti a un gruppo di elementi relativamente abbondanti, di numero atomico vicino a quello del ferro). Si pensa che i progenitori di queste supernove siano sistemi binari le cui componenti hanno entrambe massa pari a poche masse solari.

Altri elementi pesanti da cui ossigeno, neon, magnesio, silicio e calcio - provengono per la maggior parte da supernove evolutesi a partire da stelle singole o da binari e con componenti di massa grande di vita breve. Queste stelle, la cui massa iniziale è compresa tra 10 e 100 masse solari, terminano violentemente la propria vita come supernove di tipo Ib, Ic o II. Le stelle formatesi in seguito inglobarono parte di questi elementi pesanti. Per esempio, l'uno o il 2% circa della massa del sole è rappresentato da elementi diversi dall'idrogeno e dall'elio. Le stelle del rigonfiamento centrale di una galassie contengono in genere maggior percentuale di elementi pesanti di quelle della regione esterna del disco o dell'alone. L'abbondanza degli elementi pesanti diminuisce progressivamente di un fattore 0,8 per ogni chiloparsec (3300 anni luce circa) di distanza dal centro della via lattea. Il 70% circa dei 150 ammassi globulari della via lattea presenta un contenuto medio di metalli pari a circa un ventesimo di quello del sole, e il resto arriva in media a un terzo del valore solare. Studi approfonditi della composizione stellare rivelano che il rapporto tra ossigeno e elementi vicini al ferro del sistema periodico è più grande delle stelle dell'alone che in quelle del disco ricche di metalli. Questa differenza induce a ritenere che durante la fase dell'evoluzione galattica in cui si formò l'alone gli elementi pesanti fossero prodotti soprattutto dalle supernove di tipo Ib, Ic e II. È strano che le supernove di tipo Ia che generano ferro, alcune delle quali, a quanto si crede, derivano da stelle che vivono poche centinaia di milioni di anni, non abbiamo dato un contributo più consistente alla miscela chimica dalla quale si sono formate le stelle dell'alone e alcuni ammassi globulari. Questa circostanza potrebbe significare che l'alone sia collassato molto rapidamente, prima cioè che le supernove di tipo Ia potessero arricchirne il gas con il ferro da esse prodotto. Questa ipotesi è però in contrasto con la dispersione riscontrata nell'età degli ammassi globulari della galassia la quale, coprendo un intervallo di 4 miliardi di anni, sarebbe indicativa di un collasso lento dell'alone. Forse venti galattici alimentati dalle supernove spazzarono via nello spazio intergalattico la materia ricca di ferro espulsa dalle supernove di tipo Ia. Questa espulsione selettiva potrebbe essersi verificata se le supernove dei tipi Ib, Ic e II fossero esplose sopratutto all'interno di nubi di gas dense e quelle di tipo Ia in regioni meno dense, più facilmente spazzate da un vento galattico. Nonostante l'abbondanza di dati, le informazioni sul contenuto dei metalli si sono rilevate insufficienti per dirimere la controversia sulla scala dei tempi di formazione del disco e l'alone. Sandage e il suo collega Gary A. Fouts del Santa Monica College, vi leggono indicazioni a favore di n collasso pressoché unitario, mentre Jhon E. Norris e colleghi dell'Australian National Observatory e altri, ritengono che la formazione del disco e dell'alone siano stati fenomeni abbastanza indipendenti, e ipotizzano inoltre che lo sviluppo della Via Lattea abbia avuto caratteri piuttosto caotici.
Queste differenze di interpretazione insorgono spesso inevitabilmente in seguito alla selezione di particolari campioni di stelle per un certo studio. Alcune stelle presentano per esempio una composizione chimica simile a quella delle <<vere>> stelle dell'alone, combinata però a una dinamica che le apparterrebbe piuttosto a una delle sottocomponenti del disco. La composizione chimica insomma non basta da sola a delineare bene la genesi del disco e dell'alone, che oltre a narrare la storia della Via Lattea ne indicano anche la probabile evoluzione futura.