Universo: definizione, nascita e galassie

Universo: definizione, nascita e galassie A cura di Francesca Cusa.

Cos'è l'Universo? Definizione, nascita ed origine dell'universo, con approfondimento sulle galassie e sulle teorie di evoluzione e di espansione

1L'Universo: premesse

Contemplare l'universo: è sufficiente volgere lo sguardo al cielo, in una notte limpida e stellata, per poter ammirare lo spettacolo più particolare che il cielo possa offrirci, con le stelle che spezzano l’oscurità e le costellazioni che ci permettono di orientarci e, perché no, anche di sognare. È così che ci rendiamo conto che la Terra non è sola ma è circondata da tanti corpi celesti, come le stelle, le galassie e i pianeti

2Cos’è l’Universo

L’Universo si può definire come “l’insieme di tutte le cose che esistono”: stelle, galassie, pianeti, materia, energia.
Ad occhio nudo è visibile solo una piccolissima parte di quello che noi definiamo Universo. Grazie a particolari strumenti, come ad esempio il telescopio, l’uomo riuscì ad ingrandire la sua vista e scoprire nuovi pianeti, come Giove e Saturno, osservare i crateri presenti nella Luna e studiare miliardi di stelle talmente “vicine” tra loro da formare la Via Lattea.

3Le stelle

La costellazione dell'Orsa Maggiore
La costellazione dell'Orsa Maggiore — Fonte: shutterstock

Le stelle sono delle enormi sfere di gas caldissimo, principalmente idrogeno ed elio, tenute insieme grazie all’azione della forza di gravità. Esse sono delle fonti luminose che producono energia tramite reazioni termonucleari che avvengono al loro interno e la riemettono sotto forma di radiazioni.
Le stelle sono molto distanti dalla Terra e, guardando il cielo, ci appaiono come dei punti luminosi circondati da un debole alone. Esse non sono mai isolate, rappresentano gli elementi basilari delle galassie e ci appaiono sulla sfera celeste raggruppate in insiemi, detti costellazioni, a formare delle figure immaginarie.
Alcune costellazioni sono facilmente riconoscibili, come ad esempio l’Orsa Maggiore (o Grande Carro), l’Orsa Minore (o Piccolo Carro), la Croce del Sud, etc.  

Per quanto riguarda l’origine delle stelle, esse si formano per condensazione di una nube di polveri e gas interstellari, prevalentemente idrogeno, le quali sono caratterizzate da basse temperature ed enormi masse di gas. Lo spazio presente all’interno delle stelle è spesso formato da ammassi di gas densi detti nebulose interstellari.
La formazione di una stella avviene quando i gas cominciano a coagulare e la nube collassa: i materiali che collassano formano una protostella, un corpo freddo che si contrae riscaldandosi. Quando si raggiungono temperature superiori a 10 milioni di Kelvin, si innescano le reazioni termonucleari e la protostella si trasforma in una vera e propria stella. 

4Le galassie

La Via Lattea
La Via Lattea — Fonte: ansa

Le galassie sono dei veri e propri insiemi di stelle. In una galassia sono presenti polveri, gas e stelle (circa 400 milioni) tenuti insieme dalla forza di gravità. Le stelle visibili dall’uomo ad occhio nudo fanno parte della Via Lattea, chiaramente identificabile come una striscia luminosa.
Le dimensioni delle galassie sono variabili e dipendono dal numero di stelle presenti. Le stelle contenute in una galassia sono molto distanti le une dalle altre e tra di loro vi sono particelle di gas e polveri cosmiche a costituire il mezzo interstellare, la cui densità è estremamente variabile. Talvolta può capitare che le particelle di gas si addensino creando delle nubi che tendono a rendere meno nitida l’osservazione delle strutture delle galassie e delle stelle presenti.
Esistono miliardi di galassie nell’Universo ma solo tre, note come Nubi di Magellano (due) e Galassia di Andromeda (una), sono visibili ai nostri occhi senza l’ausilio di strumenti appositi. 

In base alla loro forma, le galassie possono essere classificate in: galassie ellittiche, galassie a spirale e galassie irregolari.
Le galassie ellittiche hanno forma sferica o ovoidale, sono costituite da stelle “non giovani” distribuite in modo regolare ed assumono una colorazione rossastra, mentre le galassie a spirale presentano una forte luminosità al centro, sono costituite da stelle “vecchie” nella zona centrale e da stelle “giovani” nei bracci a spirale. Il 70% delle galassie presenti appartengono a questa categoria e possono assumere colorazioni differenti, dal rosso al blu.
Le galassie irregolari, infine, non hanno una forma ben definita e sono formate da stelle “giovani” e nubi e polveri di gas in notevoli quantità.

La distribuzione delle galassie sulla volta celeste non è casuale ed alcune costituiscono delle strutture ampie chiamate ammassi, nei quali sono presenti più galassie. La Via Lattea, ad esempio, fa parte di un piccolo ammasso chiamato Gruppo Locale, in cui ritroviamo Andromeda e una ventina di altre galassie. 

5La Via Lattea

La Via Lattea fu scoperta per la prima volta da Galileo Galilei con l’ausilio del telescopio. La Via Lattea è la traccia nel cielo della nostra galassia, ha la forma appiattita ed è costituita da innumerevoli stelle. È possibile osservarla ad occhio nudo, in una notte serena e senza Luna, perché sembra percorre l’intero cielo stellato.
La Via Lattea, nota per le sue grandi dimensioni, appartiene alla categoria delle galassie a spirale e presenta nella zona centrale un evidente rigonfiamento in cui si trova il nucleo galattico. Quest’ultimo ha una forma pressoché sferica ed è responsabile dell’emissione di raggi X e onde radio.
Oltre al nucleo, la Via Lattea è caratterizzata da un disco galattico dal quale hanno origine diversi bracci a spirale. Intorno al disco galattico è possibile osservare un alone quasi sferico, composto per di più da stelle “vecchie” e da ammassi di stelle detti “ammassi globulari”.

6L’origine dell’universo

La cosmologia è la scienza che si occupa di studiare l’origine e l’evoluzione dell’Universo, dall’antichità ai giorni d’oggi.  
Rispetto al passato, oggi si ha una visione dell’Universo totalmente differente: una più ampia esplorazione dello spazio ed uno studio più dettagliato sulla nascita delle stelle e sui loro movimenti hanno portato alla conclusione che l’Universo sia in continua evoluzione.

6.1Hubble

Una delle figure chiave dell’astronomia è stato l’americano E. P. Hubble che, nel 1923, riuscì a dimostrare l’esistenza di galassie diverse rispetto alla nostra Via Lattea.
Sempre Hubble, nel 1929, evidenziò uno spostamento delle righe spettrali delle galassie e degli spettri delle stelle verso il rosso, chiamato red shift (effetto Doppler), dimostrando così che tutte le galassie si stavano allontanando dal Sistema Solare.
Tale spostamento corrispondeva ad un moto di recessione e la sua velocità era direttamente proporzionale alla distanza: maggiore era la distanza, più marcato era lo spostamento verso il rosso. La relazione lineare che descrisse l’allontanamento delle galassie fu nota come legge di Hubble:

ν = H∙d

dove ν è la velocità di allontanamento, H è la costante di Hubble, d è la distanza.
La legge di Hubble permise non solo di determinare la distanza delle galassie più lontane ma anche l’età dell’Universo: noti lo spazio presente tra due galassie e la velocità con cui esse si separano, fu possibile determinare il tempo impiegato per raggiungere la posizione odierna. 

6.2Effetto Doppler

Gli spostamenti di una sorgente luminosa rispetto ad un osservatore possono essere quantificati in base agli spostamenti degli spettri. Quando la lunghezza d’onda di una sorgente luminosa si sposta verso il rosso (red shift) la sorgente si sta allontanando, quando, invece, la sorgente luminosa si sposta verso il blu (blue shift) essa si sta avvicinando.
Lo spostamento degli spettri è causato dall’effetto Doppler, un cambiamento apparente delle frequenze della lunghezza d’onda che viene percepito da un osservatore al variare della distanza tra osservatore e origine della frequenza.
La sirena delle ambulanze viene spesso utilizzata per spiegare l’effetto Doppler: quando l’ambulanza si avvicina, noi avvertiamo un suono molto forte che tende a diminuire man mano che l’ambulanza si allontana. Questo avviene perché, quando la fonte di emissione della lunghezza d’onda (nel nostro caso l’ambulanza) rispetto all’osservatore (in questo caso noi) si allontana, le nostre orecchie percepiscono una diminuzione della lunghezza d’onda apparente.

6.3Big Bang

Basandosi sul modello del Big Bang (grande botto), l’Universo ebbe origine con una violenta esplosione dell’atomo primordiale, una sfera piccolissima ad altissima densità ed elevata temperatura.
Secondo il fisico russo G. Gamow, il primo ad utilizzare il termine Big Bang, l’Universo era in origine molto denso e caldo e, solo dopo la “maestosa esplosione”, si sarebbe raffreddato favorendo l’aggregazione di particelle di materia, la formazione di nuclei, stelle e galassie, e l’inizio della sua evoluzione. 

Considerando la teoria del Big Bang, l’Universo ebbe origine circa 20 miliardi di anni fa, con la separazione delle quattro forze fondamentali (nucleare forte e debole, gravitazionale ed elettromagnetica) e la formazione di protoni, elettroni e neutroni. In seguito all’abbassamento della temperatura, da 1010 K fino a 4000 K, si sarebbero formati i nuclei di elio, i nuclei di deuterio e gli atomi. È a questo punto che, mentre l’Universo era costituito prevalentemente da gas ionizzati in espansione, venne prodotta la radiazione di fondo che noi oggi possiamo osservare.  

Arno Allan Penzias, fisico statunitense
Arno Allan Penzias, fisico statunitense — Fonte: ansa

Una prova dell’esistenza del Big Bang si ebbe proprio nel 1965 quando A. A. Penzias e R. Woodrow Wilson captarono una radiazione fossile, detta anche radiazione cosmica di fondo. Si tratta di un insieme di deboli ed uniformi radiazioni elettromagnetiche provenienti da tutti i punti dell’Universo, che loro identificarono come un residuo “fossile” dell’esplosione iniziale.
In questa fase l’Universo continuava a raffreddarsi e ad espandersi, creando le giuste condizioni per la formazione di galassie e stelle.

7L’evoluzione dell’Universo

Dopo il verificarsi del Big Bang, l’Universo ha iniziato il suo percorso di espansione.
Il fattore che impedisce una dilatazione infinita dell’Universo, causando una vera e propria decelerazione, è l’attrazione gravitazionale che tende a ridurre l’allontanamento tra le galassie e la velocità di espansione. L’attrazione gravitazionale dipende dalla densità dell’Universo, ossia dalla quantità di materia presente: se la densità sarà tale da impedire la dilatazione dell’Universo, questo terminerà di espandersi e si contrarrà su se stesso.

Gli astronomi ipotizzano due teorie differenti sull’ evoluzione futura dell’Universo: la teoria dell’Universo chiuso e la teoria dell’Universo aperto.

  • Secondo la teoria dell’Universo chiuso, l’Universo prima tenderebbe ad espandersi e successivamente a contrarsi fino a ridursi in una piccolissima massa di densità elevata.
  • Secondo la teoria dell’Universo aperto, invece, l’Universo continuerebbe ad espandersi indefinitamente in quanto la quantità di materia presente non è sufficiente per bloccare l’espansione.

Agli inizi degli anni Ottanta è stato proposto un nuovo modello, detto dell’Universo inflazionario, in cui l’Universo avrebbe aumentato repentinamente di 1050 volte il suo diametro rispetto a quanto previsto dalla teoria classica.