Gli astronomi hanno potuto fare enormi progressi nella mappatura della struttura a spirale della Via Lattea dopo la scoperta della linea dei 21 cm che viene dall’idrogeno freddo (vedi Tra le stelle: gas e polvere nello spazio). Ricordiamo che l’effetto oscurante della polvere interstellare ci impedisce di vedere le stelle a grandi distanze nel disco alle lunghezze d’onda visibili. Tuttavia, le onde radio di lunghezza d’onda di 21 cm passano proprio attraverso la polvere, permettendo agli astronomi di rilevare gli atomi di idrogeno in tutta la Galassia. Sondaggi più recenti sull’emissione infrarossa delle stelle nel disco hanno fornito una simile prospettiva senza polvere della distribuzione stellare della nostra Galassia. Nonostante tutti questi progressi negli ultimi cinquant’anni, stiamo ancora cominciando a definire con precisione la struttura della nostra Galassia.

I bracci della Via Lattea

Le nostre osservazioni radio della componente gassosa del disco indicano che la Galassia ha due grandi bracci a spirale che emergono dalla barra e diversi bracci più deboli e speroni più brevi. Potete vedere una mappa recentemente assemblata della struttura dei bracci della nostra Galassia – derivata da studi nell’infrarosso – nella Figura 1.

Il Sole è vicino al bordo interno di un breve braccio chiamato Sperone di Orione, che è lungo circa 10.000 anni luce e contiene caratteristiche cospicue come il Cygnus Rift (la grande nebulosa scura nella Via Lattea estiva) e la luminosa Nebulosa di Orione. La figura 2 mostra alcuni altri oggetti che condividono con noi questa piccola sezione della Galassia e che sono facili da vedere. Ricordate, più lontano cerchiamo di guardare dal nostro braccio, più la polvere nella Galassia si accumula e rende difficile vedere con la luce visibile.

Formazione della struttura a spirale

Alla distanza del Sole dal suo centro, la Galassia non ruota come una ruota solida o un CD all’interno del lettore. Invece, il modo in cui i singoli oggetti girano intorno al centro della Galassia è più simile al sistema solare. Le stelle, così come le nubi di gas e polvere, obbediscono alla terza legge di Keplero. Gli oggetti più lontani dal centro impiegano più tempo a completare un’orbita intorno alla Galassia rispetto a quelli più vicini al centro. In altre parole, le stelle (e la materia interstellare) nelle orbite più grandi della Galassia seguono quelle più piccole. Questo effetto è chiamato rotazione galattica differenziale.

La rotazione differenziale sembra spiegare perché così tanto materiale nel disco della Via Lattea è concentrato in caratteristiche allungate che assomigliano a bracci a spirale. Non importa quale sia la distribuzione originale del materiale, la rotazione differenziale della Galassia può allungarlo in caratteristiche a spirale. La figura 3 mostra lo sviluppo di bracci a spirale da due gocce irregolari di materia interstellare. Notate che mentre le porzioni dei blob più vicine al centro galattico si muovono più velocemente, quelle più lontane rimangono indietro.

Ma questa immagine dei bracci a spirale presenta agli astronomi un problema immediato. Se la storia fosse solo questa, la rotazione differenziale – nel corso dei circa 13 miliardi di anni di storia della Galassia – avrebbe avvolto i bracci della Galassia sempre più stretti fino a quando ogni parvenza di struttura a spirale fosse scomparsa. Ma la Via Lattea aveva davvero bracci a spirale quando si è formata 13 miliardi di anni fa? E i bracci a spirale, una volta formati, durano così a lungo?

Con l’avvento del telescopio spaziale Hubble, è diventato possibile osservare la struttura di galassie molto lontane e vedere com’erano poco dopo aver iniziato a formarsi più di 13 miliardi di anni fa. Ciò che le osservazioni mostrano è che le galassie nella loro infanzia avevano regioni luminose e grumose per la formazione di stelle, ma nessuna struttura a spirale regolare.

Nel corso dei successivi miliardi di anni, le galassie hanno cominciato a “sistemarsi”. Le galassie che dovevano diventare spirali persero i loro ammassi massicci e svilupparono un rigonfiamento centrale. La turbolenza in queste galassie diminuì, la rotazione cominciò a dominare i movimenti delle stelle e del gas, e le stelle cominciarono a formarsi in un disco molto più tranquillo. Ciuffi stellari più piccoli cominciarono a formare bracci a spirale confusi e non molto distinti. I bracci a spirale luminosi e ben definiti cominciarono ad apparire solo quando le galassie avevano circa 3,6 miliardi di anni. Inizialmente, c’erano due bracci ben definiti. Le strutture a più bracci nelle galassie, come quelle che vediamo nella Via Lattea, apparvero solo quando l’universo aveva circa 8 miliardi di anni.

Discuteremo la storia delle galassie in modo più dettagliato in L’evoluzione e la distribuzione delle galassie. Ma, anche dalla nostra breve discussione, si può avere l’impressione che le strutture a spirale che ora osserviamo nelle galassie mature siano arrivate più tardi nella storia completa di come si sviluppano le cose nell’universo.

Gli scienziati hanno usato calcoli di supercomputer per modellare la formazione e l’evoluzione dei bracci. Questi calcoli seguono i movimenti di fino a 100 milioni di “particelle di stelle” per vedere se le forze gravitazionali possono indurle a formare una struttura a spirale. Ciò che questi calcoli mostrano è che le nubi molecolari giganti (di cui abbiamo parlato in Between the Stars: Gas and Dust in Space) hanno abbastanza influenza gravitazionale sull’ambiente circostante per iniziare la formazione di strutture che sembrano bracci a spirale. Questi bracci si autoperpetuano e possono sopravvivere per almeno diversi miliardi di anni. I bracci possono cambiare la loro luminosità nel tempo man mano che la formazione stellare va e viene, ma non sono caratteristiche temporanee. La concentrazione di materia nei bracci esercita una forza gravitazionale sufficiente a mantenere i bracci uniti per lunghi periodi di tempo.

Glossario

rotazione galattica differenziale:

l’idea che parti diverse della Galassia girino a velocità diverse, poiché le parti della Galassia seguono la terza legge di Keplero: gli oggetti più lontani impiegano più tempo per completare un’orbita completa attorno al centro della Galassia

braccio a spirale:

una regione a forma di spirale, caratterizzata da materiale interstellare relativamente denso e stelle giovani, che si osserva nei dischi delle galassie a spirale

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