Perché le galassie hanno forme diverse?

La galassia IC 342, conosciuta anche come Caldwell 5, è una delle galassie più vicine a noi, distante circa 7 milioni di anni luce. Se chiedessimo a qualcuno di disegnare una galassia, probabilmente produrrebbe una forma a spirale simile a quella sopra. Le galassie a spirale hanno grandi vantaggi nel catturare la nostra attenzione: per la maggior parte delle persone sono estremamente belle, sono anche più luminose, avendo più stelle giovani e calde, quindi a meno che non guardiamo davvero da vicino, ne vediamo di più. Inoltre, una di esse è la nostra casa, creando un pregiudizio naturale.

Non tutte le galassie sono a spirale, e anche quelle che lo sono si dividono in due tipi principali. Quindi, perché alcune galassie raggiungono questa forma gloriosa, mentre altre no? C’è ancora una discreta incertezza su questa domanda, ma un insieme di spiegazioni sembra prevalere.

Le galassie a spirale hanno diverse caratteristiche comuni. Tutte sono piuttosto piatte, con il corpo principale di stelle molte volte più largo di quanto sia spesso. Hanno un rigonfiamento centrale pieno di stelle che si innalza molto al di sopra (e al di sotto) del disco. Le galassie a spirale di solito hanno un alone che, se considerato a segnare i loro confini, le renderebbe quasi sferiche. Tuttavia, le stelle sono così sparse nell’alone che a malapena lo notiamo, anche quando guardiamo una spirale di lato.

Nonostante tutta l’attenzione che ricevono, le ragioni della struttura a spirale non sono completamente comprese. In parte, rappresenta un’illusione. C’è molto altro materiale tra le braccia a spirale, ma poiché la formazione stellare è più intensa all’interno delle braccia, queste presentano molte stelle giovani e calde. Questo fa risaltare le braccia rispetto al resto.

Le galassie a spirale di solito hanno nuclei più vecchi delle loro braccia (anche se esistono eccezioni), suggerendo che il nucleo si sia formato per primo e successivamente abbia attratto il materiale che è diventato le braccia. Grandi spirali come la Via Lattea si formano cannibalizzando galassie più piccole che si avvicinano troppo.

Alcune galassie a spirale sono classificate in base a quanto strettamente avvolte sono le loro braccia, ma possono anche essere divise dal numero di braccia, che varia.

Sorprendentemente, data la loro importanza per l’universo e per noi stessi, non comprendiamo completamente cosa causa la formazione delle galassie a spirale. Infatti, ci aspetteremmo che le braccia si avvolgessero strettamente attorno al nucleo su tempi molto più brevi rispetto alla durata delle spirali che conosciamo meglio. La materia oscura spiega parte di ciò che vediamo, ma non tutto.

L’aspetto del disco delle galassie a spirale è il più facile da spiegare, poiché vediamo qualcosa di simile nei dischi protoplanetari intorno alle giovani stelle. È un prodotto delle interazioni gravitazionali tra particelle rotanti.

Le braccia a spirale sono più difficili. La spiegazione più popolare è chiamata “teoria dell’onda di densità”. Questo suggerisce che stelle e polvere non fanno parte permanentemente delle braccia. Invece, le onde di densità si muovono attraverso la galassia, unendo il materiale mentre passa la cresta e disperdendolo dopo. Proprio come una particella d’acqua non sarà sempre sulla cresta di un’onda, le stelle si muovono dentro e fuori dalle braccia mentre l’onda le tira dentro e le spinge fuori.

La causa completa di queste onde di densità non è nota, ma le galassie che vengono tirate fuori da una forma circolare dalla gravità degli altri potrebbero essere un innesco. Anche i campi magnetici sono sospettati.

Forse la principale divisione tra le galassie a spirale è tra quelle (inclusa la nostra) con una barra centrale distintiva e quelle senza.

Le barre diventano più comuni quanto più ci si avvicina a noi nello spazio e quindi nel tempo, suggerendo che stanno diventando più frequenti. Come le forme a spirale stesse, si pensa che siano il prodotto di onde di densità, in questo caso che irradiano dal centro galattico piuttosto che circondarlo.

NGC 4639 è un esempio di spirale barrata, a 70 milioni di anni luce di distanza nel cluster della Vergine.

Le galassie ellittiche rappresentano l’altra forma distintiva comune e includono le galassie più grandi. Le persone in alcune parti del mondo possono riconoscere la forma come simile a quella di un pallone da rugby. Gli americani potrebbero preferire pensare a un pallone da football modestamente sgonfiato i cui estremi sono stati spinti un po’ verso l’interno.

Edwin Hubble, che per primo ha creato le categorie di galassie che usiamo (con qualche aggiustamento) oggi, credeva che le galassie ellittiche rappresentassero una sorta di uovo cosmico da cui si formavano le galassie a spirale, ma questo è stato poi respinto. Invece, le galassie ellittiche sono generalmente composte da stelle molto più vecchie delle galassie a spirale, avendo in gran parte smesso di formare stelle. Ci sono prove che i getti prodotti dai buchi neri supermassicci al cuore delle ellittiche disturbano il gas che in altre galassie potrebbe formare stelle.

Anche nelle galassie a spirale, alcune stelle si muovono in direzioni incoerenti con i loro vicini. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle stelle delle galassie a spirale orbita in modo ordinato. Nelle galassie ellittiche, si pensa che le stelle vaghino molto più casualmente, minando la forma coesa.

Si pensa che le galassie ellittiche siano il prodotto di collisioni galattiche. Questo spiega la loro età e la mancanza di una struttura chiara. Tuttavia, sappiamo che la Via Lattea è composta da molte galassie, ma ha mantenuto la sua forma. Le ellittiche sono più comuni vicino al centro dei cluster di galassie, i luoghi in cui gli incontri tra galassie sono probabilmente più frequenti e violenti. Per quanto la Via Lattea abbia attraversato, è probabile che le ellittiche abbiano affrontato incontri più drastici con gli altri.

Molte galassie non rientrano in nessuna di queste categorie e non hanno un modello coerente per le loro forme. Queste sono le più facili da spiegare, poiché un incontro con una forza maggiore dirompente, come la gravità di una galassia più grande, può rovinare una forma regolare e lasciare un disordine dietro. Alla fine, la galassia può riformarsi, ma ciò può richiedere così tanto tempo che per gran parte della sua vita, una galassia sarà irregolare, in particolare una più piccola vulnerabile ai bulli cosmici più grandi.

NGC 5408 è un classico esempio di galassia irregolare, senza una forma chiara.

La maggior parte di ciò che sappiamo sulle forme delle galassie proviene da galassie vicine poiché sono più facili da studiare. Ciò significa che non stiamo guardando molto indietro nel tempo, quindi queste galassie hanno un’età abbastanza simile alla nostra. Tuttavia, il JWST ci ha permesso di vedere alcune galassie da quando l’universo era molto più giovane e le forme sembrano significativamente diverse.

Un recente rapporto ha rivelato forme che gli astronomi hanno paragonato a attrezzature sportive, da palle quasi sferiche a quelle a forma di frisbee, tavole da surf e noodle per piscina.

Cosa sia successo a queste galassie mentre invecchiavano, non lo sappiamo. Tuttavia, dato che gli oggetti con queste forme sono rari nell’universo locale, sembra una scommessa giusta che si trasformino gradualmente in una delle forme che vediamo più da vicino.