Le galassie e il centro dell'Universo

Vorrei sapere se gli ammassi di galassie hanno una forma particolare, un orientamento costante e una direzione precisa rispetto al centro dell’Universo.

Elena Masotti
29 agosto 2004
Innanzitutto bisogna chiarire il concetto di "centro dell'Universo".Secondo i modelli cosmologici attualmente accettati dalla maggior parte della comunità astronomica non esiste un centro dell'Universo.
L'attuale cosmologia ritiene che l'Universo sia nato circa 14 miliardi di anni fa e che da allora si espanda; ciò non significa però che, per questa espansione, debba esistere un centro. L'esplosione del Big Bang infatti non è da intendersi come una comune esplosione, cioè come qualcosa che si allarga da un punto verso l'esterno, ma come un'espansione all'interno di uno spazio pre-esistente. È l'intero Universo che si allarga e con esso lo spazio che lo contiene. Questa espansione, per quanto siamo in grado di stabilire, avviene nello stesso modo in qualsiasi punto e in qualsiasi direzione.

Per visualizzare questo effetto possiamo pensare alla superficie di un palloncino. Questo esempio è famoso e ormai, potremmo dire, antico: è stato proposto fin dal 1933 da Eddington nel suo libro L'universo in espansione, così come da Hoyle nel 1960 in La natura dell'Universo.
Invece di proporre delle complicate formule matematiche questi illustri astronomi suggerirono di pensare alle galassie nell'Universo come a dei punti disegnati su un palloncino. Se gonfiamo il palloncino ogni punto si allontana da tutti gli altri, ma nessuno è al centro di questo allontanamento.

Naturalmente il nostro Universo non è un palloncino e perciò questa analogia deve essere ben compresa e utilizzata per quello che è. In particolare bisogna ricordare che stiamo cercando di visualizzare il nostro Universo tridimensionale utilizzando un oggetto bidimensionale. È infatti la superficie del palloncino a rappresentare l'Universo, non il palloncino stesso. Perciò, per esempio, il centro del palloncino non ha nessuna corrispondenza all'interno dell'Universo, non rappresenta nulla di fisico.
Per chi volesse una descrizione letteraria di un Universo bidimensionale, un ottimo libro è Flatlandia. Racconto fantastico a più dimensioni scritto da Edwin Abbott nel 1884.

Detto questo se le galassie (o gli ammassi di galassie) sono rappresentati come punti sulla superficie del palloncino si verifica che i singoli punti si allontanano tra loro quando il pallone si espande, ma la dimensione del singolo punto (ricordate le prime lezioni di geometria "il punto non ha dimensioni"?) rimane la stessa. La grandezza della galassia o dell'ammasso di galassie non varia cioè con l'aumento della grandezza totale dell'Universo. Ciò si verifica perché l'ammasso (o la galassia) è gravitazionalmente legato: le forze di mutua attrazione tra le galassie prevalgono sulla forza di espansione dell'Universo.

Vediamo un pò meglio cosa significa tutto ciò.
Innanzitutto osserviamo che tutte le strutture dell'Universo mostrano una tendenza a raggrupparsi seguendo una gerarchia: i pianeti in un sistema planetario, le stelle in ammassi, gli ammassi di stelle in galassie. Allo stesso modo anche le galassie tendono a unirsi in gruppi di qualche decina di membri; a loro volta, più gruppi si riuniscono in ammassi di galassie, i quali, insieme ad altri ammassi, formano superammassi.
Gli ammassi di galassie sono già noti dagli anni '30; il primo è stato scoperto nella costellazione della Chioma di Berenice, e prende il nome di Ammasso della Coma; si trova a una distanza di 350 milioni di anni luce, ed è anche uno dei più ricchi di galassie che si conoscano.
Il diametro dei più grandi ammassi di galassie è di circa 60 milioni di anni luce, anche se non è facile determinarne i confini perchè la densità diminuisce gradualmente verso l'esterno e spesso un ammasso si confonde con quello vicino.
Ci sono ammassi regolari, di forma sferoidale, che contengono essenzialmente galassie ellittiche, e ammassi irregolari, che somigliano agli ammassi aperti di stelle e contengono galassie di ogni tipo.

Le galassie sono dotate di un moto all'interno dell'ammasso e a volte interagiscono scontrandosi tra loro. I processi di interazione tra galassie sono molto violenti e coinvolgono grandi quantità di energia. In molti casi l'interazione di due galassie porta alla loro fusione provocando un aumento della formazione di stelle nelle galassie che la subiscono.

I moti delle galassie sono perciò fondamentali per determinare la forma dell'ammasso.
Gli ammassi di galassie rimangono uniti sotto l'azione della mutua attrazione gravitazionale. Le velocità misurate per le galassie sono però troppo alte perché possano rimanere assieme. Questo implica la presenza di una componente invisibile di massa. Le osservazioni compiute hanno rivelato una parte di questa componente nella presenza di grandi quantità di gas intergalattico. Questo gas è molto caldo (decine di milioni di gradi) e quindi emette raggi X. La sua massa totale inoltre è più grande di quella delle galassie, in genere di un fattore due.

Anche questa massa però non è sufficiente per tenere assieme l'ammasso. Poiché questo gas è approssimativamente in equilibrio con il campo gravitazionale dell'ammasso, la sua distribuzione rivela la forma del campo stesso. Da ciò è quindi possibile calcolare la distribuzione della massa totale nell'ammasso: ne risulta che essa è molto più alta di quella del gas o delle galassie.
La componente mancante è detta materia oscura e la sua esatta natura è ancora sconosciuta. In un ammasso tipico, solo il 5% della massa totale è sotto forma di galassie, forse il 10% come gas intergalattico caldissimo che emette raggi X; il resto è costituito appunto da materia oscura.

La forma degli ammassi di galassie dipende perciò dalla distribuzione della massa totale (o gravitazionale) dell'ammasso che forma appunto il campo gravitazionale, ma anche dallo stato gravitazionale in cui gli ammassi si trovano. Se le galassie hanno avuto il tempo di adeguarsi alla distribuzione di massa dell'ammasso rimandone definitivamente legate, tendono ad assumere una forma sferica.
Questa forma è quella che spesso si assume per determinare alcune caratteristiche degli ammassi (come appunto la massa) che dipendono dal loro stesso volume totale.
In ogni caso, la forma di un ammasso dipende dalle forze specifiche che agiscono al suo interno ma non dalla situazione dinamica globale dell'Universo in espansione.

Anna Wolter INAF, Osservatorio Astronomico di Brera, Milano

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011