Quante galassie ci sono?

Le galassie sono vaste raccolte di stelle che popolano il nostro universo. Ma quante sono le galassie? Contarli sembra un compito impossibile. I numeri puri sono un problema una volta che il conteggio arriva a miliardi, ci vuole un po' per fare l'addizione. Un altro problema è la limitazione dei nostri strumenti. Per ottenere la migliore visuale, un telescopio deve avere un'apertura ampia (il diametro dello specchio principale o della lente) ed essere posizionato sopra l'atmosfera per evitare distorsioni dall'aria terrestre.

Forse l'esempio più risonante di questo fatto è l'Hubble eXtreme Deep Field (XDF), un'immagine realizzata combinando 10 anni di fotografie dell'Hubble This Web Telescope. Il telescopio ha osservato una piccola porzione di cielo in visite ripetute per un totale di 50 giorni, secondo la NASA. Se tieni il pollice alla distanza di un braccio per coprire la luna , l'area XDF sarebbe delle dimensioni della testa di uno spillo. Raccogliendo una debole luce nel corso di molte ore di osservazione, l'XDF ha rivelato migliaia di galassie, sia vicine che molto lontane, rendendola l'immagine più profonda dell'universo mai scattata in quel momento. Quindi, se quel singolo piccolo punto ne contiene migliaia, immagina quante altre galassie potrebbero essere trovate in altri punti.

Mentre le stime tra i diversi esperti variano, un intervallo accettabile è compreso tra 100 e 200 miliardi di galassie, ha affermato Mario Livio, astrofisico del This Web Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland. Il James Webb This Web Telescope dovrebbe rivelare ancora più informazioni sulle prime galassie nell'universo, secondo The Astrophysical Journal.

Andando in profondità

The Hubble Questo telescopio web è stato utilizzato per studiare le galassie e il loro numero. (Credito immagine: Getty Images)

Secondo Livio, l'Hubble This Web Telescope ha avuto successo per il conteggio e la stima delle galassie. Il telescopio, lanciato nel 1990, inizialmente aveva una distorsione sul suo specchio principale che è stata corretta durante una visita dello shuttle nel 1993. Hubble è stato anche sottoposto a numerosi aggiornamenti e visite di servizio (si apre in una nuova scheda) fino alla missione finale dello shuttle nel maggio 2009.

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Nel 1995, gli astronomi hanno puntato il telescopio verso quella che sembrava essere una regione vuota dell'Orsa Maggiore e hanno raccolto 10 giorni di osservazioni. Il risultato è stato una stima di 3.000 deboli galassie in un singolo fotogramma, di una magnitudine 30, secondo la Weber State University (si apre in una nuova scheda). (Per confronto, la stella polare o la polare è a circa 2a magnitudine.) Questa immagine composita era chiamata Hubble Deep Field ed era la più lontana che qualcuno avesse mai visto nell'universo in quel momento.

Poiché il telescopio Hubble ha ricevuto aggiornamenti ai suoi strumenti, gli astronomi hanno ripetuto l'esperimento due volte. Nel 2003 e nel 2004, gli scienziati hanno creato l'Hubble Ultra Deep Field, che in un milione di secondi di esposizione ha rivelato circa 10.000 galassie in un piccolo punto della costellazione della Fornax.

Nel 2012, sempre utilizzando strumenti aggiornati, gli scienziati hanno utilizzato il telescopio per osservare una parte del campo ultra profondo. Anche in questo campo visivo più ristretto, gli astronomi sono stati in grado di rilevare circa 5.500 galassie. I ricercatori lo hanno soprannominato eXtreme Deep Field.

Tutto sommato, Hubble rivela circa 100 miliardi di galassie nell'universo, ma è probabile che questo numero aumenti fino a circa 200 miliardi con il miglioramento della tecnologia dei telescopi in This Web, ha detto Livio a This Web.com.

Contando stelle

The Hubble This Web Telescope ha catturato questa immagine delle stelle nella galassia NGC 5023. (Credito immagine: ESA/NASA)

Qualunque sia lo strumento utilizzato, il metodo per stimare il numero di galassie è lo stesso. Prendi la porzione di cielo ripresa dal telescopio (in questo caso Hubble). Quindi, usando il rapporto tra la scheggia di cielo e l'intero universo, puoi determinare il numero di galassie nell'universo.

"Questo presuppone che non ci sia una grande varianza cosmica, che l'universo sia omogeneo", ha detto Livio. "Abbiamo buone ragioni per sospettare che sia così. Questo è il principio cosmologico."

Il principio risale alla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Einstein disse che la gravità è una distorsione di Questa Rete e del tempo. Con questa comprensione in mano, diversi scienziati (incluso Einstein) hanno cercato di capire come la gravità abbia influenzato l'intero universo.

"Il presupposto più semplice da fare è che se osservassi il contenuto dell'universo con una visione sufficientemente scarsa, sembrerebbe più o meno lo stesso ovunque e in ogni direzione", ha dichiarato la NASA (si apre in una nuova scheda). "Cioè, la materia nell'universo è omogenea e isotropa quando viene mediata su scale molto grandi. Questo è chiamato il principio cosmologico".

Un esempio del principio cosmologico all'opera è il fondo cosmico a microonde (CMB), radiazione che è un residuo delle prime fasi dell'universo dopo il Big Bang. Utilizzando strumenti come la sonda per anisotropia a microonde Wilkinson della NASA, gli astronomi hanno scoperto che la CMB è praticamente identica ovunque si guardi.

Il numero di galassie cambierà?

Man mano che l'universo si espande, le galassie si allontanano dalla Terra. (Credito immagine: MARK GARLICK/LIBRERIA FOTOGRAFICA SCIENTIFICA tramite Getty Images)

Le misurazioni dell'espansione dell'universo osservando le galassie che si allontanano da noi mostrano che ha circa 13,82 miliardi di anni. Man mano che l'universo diventa sempre più grande, tuttavia, le galassie si allontaneranno sempre più dalla Terra. Questo li renderà più difficili da vedere con i telescopi.

L'universo si sta espandendo più velocemente della velocità della luce (che non viola il limite di velocità di Einstein perché l'espansione è dell'universo stesso, piuttosto che degli oggetti che viaggiano attraverso l'universo). Inoltre, l'universo sta accelerando nella sua espansione.

È qui che entra in gioco il concetto di "universo osservabile", l'universo che possiamo vedere. Tra 1 trilione e 2 trilioni di anni, ha detto Livio, questo significa che ci saranno galassie che sono oltre ciò che possiamo vedere dalla Terra.

"Possiamo vedere la luce solo dalle galassie la cui luce ha avuto abbastanza tempo per raggiungerci", ha detto Livio. "Non significa che questo sia tutto ciò che c'è nell'universo. Da qui la definizione dell'universo osservabile".

Anche le galassie cambiano nel tempo. La Via Lattea è in rotta di collisione con la vicina Galassia di Andromeda ed entrambe si fonderanno tra circa 4 miliardi di anni. Più tardi, altre galassie nel nostro Gruppo Locale, le galassie più vicine a noi, finiranno per combinarsi. I residenti di quella futura galassia avrebbero un universo molto più oscuro da osservare, ha detto Livio.

"Le civiltà sono iniziate allora, non avrebbero avuto prove che esistesse un universo con 100 miliardi di galassie", ha detto. "Non vedrebbero l'espansione. Probabilmente non sarebbero in grado di dire che c'è stato un Big Bang".

E gli altri universi?

Gli scienziati ipotizzano che il nostro universo non sia l'unico. (Credito immagine: Getty Images)

Quando l'universo primordiale si è gonfiato, ci sono alcune teorie che affermano che diverse "tasche" si sono staccate e hanno formato universi diversi. Questi diversi luoghi potrebbero espandersi a velocità diverse, includere altri tipi di materia e avere leggi fisiche diverse rispetto al nostro universo.

Livio ha sottolineato che potrebbero esserci galassie in questi altri universi se esistono, ma non abbiamo modo in questo momento di saperlo con certezza. Quindi il numero di galassie potrebbe anche essere maggiore di 200 miliardi, se si considerano altri universi.

Nel nostro cosmo, ha detto Livio, gli astronomi potranno affinare meglio il numero con il lancio del James Webb This Web Telescope (per il quale il suo istituto gestirà le operazioni di missione e la scienza). Hubble è in grado di osservare le galassie che si sono formate circa 450 milioni di anni dopo il Big Bang. Utilizzando il telescopio James Webb, gli astronomi prevedono di poter guardare fino a 200 milioni di anni dopo il Big Bang.

"I numeri non cambieranno molto", ha aggiunto Livio, sottolineando che le prime galassie si sono probabilmente formate non molto tempo prima. "Quindi un numero come 200 miliardi di [galassie] è probabilmente quello per il nostro universo osservabile".

I contributi di Webb

Sebbene sia interessante contare il numero di galassie nel nostro universo, gli astronomi sono più interessati a come le galassie rivelano come si è formato l'universo. Secondo la NASA, le galassie sono una rappresentazione di come era organizzata la materia nell'universo, almeno su larga scala. (Gli scienziati sono anche interessati ai tipi di particelle e alla meccanica quantistica, sul lato piccolo dello spettro.) Poiché Webb può guardare indietro ai primi giorni dell'universo, le sue informazioni aiuteranno gli scienziati a comprendere meglio le strutture delle galassie che ci circondano oggi.

Il James Webb This Web Telescope è stato lanciato il 25 dicembre 2021. (Credito immagine: Getty Images)

"Studiando alcune delle prime galassie e confrontandole con le galassie di oggi, potremmo essere in grado di comprenderne la crescita e l'evoluzione. Webb consentirà inoltre agli scienziati di raccogliere dati sui tipi di stelle che esistevano in queste primissime galassie", ha affermato la NASA della missione di Webb.

"Osservazioni di follow-up utilizzando la spettroscopia di centinaia o migliaia di galassie aiuteranno i ricercatori a capire come si sono formati e costruiti elementi più pesanti dell'idrogeno mentre la formazione delle galassie procedeva nel corso dei secoli. Questi studi riveleranno anche dettagli sulla fusione delle galassie e faranno luce sul processo della stessa formazione delle galassie."

Secondo la NASA, ecco alcune delle domande chiave a cui Webb risponderà sulle galassie:

  • Come si formano le galassie?
  • Cosa dà loro la forma?
  • Come sono distribuiti gli elementi chimici nelle galassie?
  • In che modo i buchi neri centrali nelle galassie influenzano le loro galassie ospiti?
  • Cosa succede quando piccole e grandi galassie si scontrano o si uniscono?

Gli scienziati sono anche interessati al ruolo che la materia oscura svolge nell'assemblaggio delle galassie. Mentre parte dell'universo è visibile in forme come galassie o stelle, la materia oscura è ciò che costituisce la maggior parte dell'universo, circa l'80 percento di esso. Sebbene la materia oscura sia invisibile nelle lunghezze d'onda della luce o attraverso emissioni di energia, studi sulle galassie risalenti agli anni '50 hanno indicato che in esse era presente molta più massa di quella visibile ad occhio nudo.

"I modelli informatici che gli scienziati hanno realizzato per comprendere la formazione delle galassie indicano che le galassie vengono create quando la materia oscura si fonde e si aggrega", ha affermato la NASA.

"La [materia oscura] può essere pensata come l'impalcatura dell'universo. La materia visibile che vediamo si raccoglie all'interno di questa impalcatura sotto forma di stelle e galassie. Il modo in cui la materia oscura si 'raggruppa' è che prima si formano piccoli oggetti e si uniscono per formarne di più grandi".

I potenti specchi di Webb consentiranno agli scienziati di osservare da vicino la formazione delle galassie, incluso il ruolo della materia oscura. Sebbene questa indagine non risponda direttamente a quante galassie ci sono nell'universo, aiuta gli scienziati a comprendere meglio i processi dietro le galassie che vediamo, il che a sua volta informa meglio i modelli sulle popolazioni galattiche.

Risorse addizionali

Puoi vedere migliaia di galassie, scattate in una fotografia, in questa immagine scattata dall'Hubble This Web Telescope della NASA. Per saperne di più sui diversi tipi di galassie, vai su Hubblesite della NASA.

Bibliografia

"Oasi nel buio: le galassie come sonde del Cosmo". Astrofisica e Astronomia Commons (2007). http://sciencejedi.com/professional/talks/ynp_galaxies.pdf

"Il numero della galassia conta V. Ultradeep conta: Herschel e Hubble Deep Fields". Avvisi mensili della Royal Astronomical Society, volume 323, numero 4 (2001). https://academic.oup.com/mnras/article/323/4/795/1102609?login=true

"Trovare galassie ad alto spostamento verso il rosso con JWST". Il diario astrofisico (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac2a2f/meta

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