Gli astronomi non riescono ancora a dire esattamente quante galassie esistono. La stima attuale è da qualche parte tra 200 miliardi (2×10^11) e 2 trilioni, e questo intervallo stesso racconta una storia: ogni volta che i telescopi sono diventati migliori nel raccogliere deboli e lontani bagliori di luce, il conteggio è saltato.
Una galassia, nella sua forma più semplice, è una raccolta legata gravitazionalmente di stelle, gas, polvere e materia oscura. Ma "galassia" copre un'enorme gamma di oggetti. Le galassie hanno in media circa 100 milioni di stelle e vanno da nani con meno di mille stelle fino a supergiganti con cento trilioni di stelle, ognuna orbitando il centro di massa della sua galassia. Questo articolo esamina le galassie come classe di oggetti – come vengono classificate, quanto diventano grandi, cosa le tiene insieme e quale attualmente detiene il record per la più lontana.
Quante galassie ci sono?
Il Hubble Deep Field, un'esposizione estremamente lunga di una porzione relativamente vuota del cielo, ha dato agli astronomi il loro primo vero punto d'appoggio sulla domanda: ha fornito prove di circa 125 miliardi (1,25×10^11) di galassie nell'universo osservabile. Quel numero sembrò autorevole per anni, principalmente perché proveniva dall'immagine più profonda che i telescopi spaziali avevano mai prodotto.
Poi, nel 2016, uno studio guidato da Christopher Conselice dell'Università di Nottingham, pubblicato su The Astrophysical Journal, ha combinato molte fonti di dati aggiuntive e ha aumentato la stima ad almeno due trilioni (2×10^12) di galassie nell'universo osservabile fino a redshift z=8 – circa dieci volte più di quelle direttamente visibili nelle immagini di Hubble. Il divario tra le due cifre non è un errore in nessuno dei due studi; riflette quante galassie sono troppo deboli, troppo piccole o troppo lontane persino per un'immagine di riferimento come il Hubble Deep Field per risolverle individualmente.
Dai nani ai supergiganti
La maggior parte delle galassie ha un diametro di 1.000 a 100.000 parsec, o approssimativamente 3.000 a 300.000 anni luce, e sono separate dai loro vicini da distanze dell'ordine di milioni di parsec. Questo divario è importante: il diametro di una tipica galassia è misurato in migliaia di anni luce, ma lo spazio vuoto tra essa e la galassia successiva è misurato in milioni.
All'interno di questo intervallo da 1.000 a 100.000 parsec si trova un'enorme diffusione di popolazioni. Una galassia nana può contenere meno di mille stelle, mentre un supergigante può contenerne circa cento trilioni – una differenza di circa undici ordini di grandezza nel conteggio delle stelle tra le galassie più piccole e più grandi conosciute.
La maggior parte di una galassia non la puoi vedere
Le stelle e il gas luminoso sono ciò che rende visibile una galassia, ma non costituiscono la maggior parte della sua massa. La maggior parte della massa in una tipica galassia è sotto forma di materia oscura, con solo pochi percento di quella massa visibile sotto forma di stelle e nebulose. In altre parole, il disco luminoso o il rigonfiamento che appare in una fotografia è un sottile strato visibile su qualcosa di molto più massiccio che non emette alcuna luce.
L'indizio che l'ha rivelato proveniva dal movimento, non dalla luce. Negli anni '70, l'astronoma Vera Rubin ha trovato una discrepanza tra la velocità di rotazione osservata delle galassie e la velocità prevista dalla sola massa visibile delle loro stelle e del loro gas. Le stelle lontane dal centro di una galassia si muovevano più velocemente di quanto la materia visibile potesse spiegare – esattamente il tipo di mancata corrispondenza che indica un grande serbatoio di massa invisibile che tiene insieme la galassia.
Un sistema di ordinamento che Hubble non ha inventato
La maggior parte delle galassie viene ordinata utilizzando la sequenza di Hubble, uno schema di classificazione morfologica per galassie pubblicato da Edwin Hubble nel 1926. Nonostante porti il suo nome, è stato inventato da John Henry Reynolds e Sir James Jeans; Hubble ha popularizzato e pubblicato lo schema piuttosto che inventarlo.
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Il ramo ellittico della sequenza ha una propria scala interna. Le galassie ellittiche sono classificate da E0 a E7, seguendo una convenzione in cui il numero di classe è dieci volte l'ellitticità della galassia, arrotondato al numero intero più vicino – quindi una galassia quasi circolare nel cielo si legge come E0, e una appiattita e allungata si legge come E7.
Tra il ramo ellittico e i due rami a spirale del diagramma a diapason classico si trova un terzo gruppo. Al centro della diapason di Hubble, dove convergono i due rami di galassie a spirale e il ramo ellittico, si trova una classe intermedia di galassie nota come lenticolari e indicata con il simbolo S0 – né chiaramente ellittica né chiaramente a spirale, ma una forma intermedia.
Le forme più grandi dello zoo cosmico
Le ellittiche producono anche le galassie più grandi conosciute. Le galassie più grandi sono ellittiche supergiganti, chiamate anche galassie di tipo cD – una designazione separata dalla classe ellittica ordinaria, riservata ai veri giganti.
Anche tralasciando la classe supergigante, le galassie ellittiche ordinarie sole coprono un'enorme gamma: variano notevolmente sia per dimensioni che per massa, con diametri che vanno da 3.000 anni luce a più di 700.000 anni luce e masse da 10^5 a quasi 10^13 masse solari. Questa estremità superiore dell'intervallo è ben oltre 200 volte più ampia dell'estremità inferiore.
Una galassia ellittica ha conquistato un record diverso. M87 (NGC 4486) ospita il buco nero supermassiccio che è diventato il primo buco nero mai fotografato, dal Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi – trasformando una galassia già notevole per le sue dimensioni nella fonte della prima immagine diretta dell'ombra di un buco nero.
Quando il nucleo di una galassia si illumina
Non ogni nucleo galattico rimane tranquillo. Alcuni brillano di radiazione, e i casi più estremi sono i quasar. Le distanze tra i quasar conosciuti variano enormemente: il quasar più vicino conosciuto, Markarian 231, è a circa 581 milioni di anni luce dalla Terra, mentre altri sono stati scoperti così lontani quanto UHZ1, circa 13,2 miliardi di anni luce di distanza – un divario di più di ventidue volte la distanza.
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Le onde radio rivelano un tipo diverso di galassia estrema. Alcyoneus è una galassia radio con l'emissione radio più grande osservata di qualsiasi galassia conosciuta, le sue strutture lobate si estendono per 5 megaparsec, o 16×10^6 anni luce. Per confronto, un'altra galassia radio gigante di dimensioni simili è 3C 236, con lobi di 15 milioni di anni luce di larghezza – il che significa che i lobi radio di Alcyoneus da soli si estendono più lontano di molti interi ammassi di galassie.
Legati insieme in miliardi
Le galassie raramente esistono in isolamento; la maggior parte appartiene a strutture più grandi tenute insieme dalla gravità. Un ammasso di galassie contiene tipicamente da 100 a 1.000 galassie, gas che emette raggi X caldi e grandi quantità di materia oscura, con masse totali di 10^14 a 10^15 masse solari e diametri da 1 a 5 megaparsec.
Per decenni, gli ammassi hanno detenuto il titolo delle cose più grandi nell'universo: si credeva che fossero le strutture più grandi conosciute nell'universo fino agli anni '80, quando furono scoperti i superammassi e li spodestarono dal primo posto.
Il gas che riempie un ammasso è tutt'altro che freddo. Il gas riscaldato del mezzo intraclusto ha una temperatura di picco tra 30 e 100 milioni di gradi Celsius – abbastanza caldo da brillare nei raggi X, ed è così che gli astronomi ne individuano la maggior parte in primo luogo.
La galassia più lontana nel record
I record di distanza in astronomia tendono ad essere di breve durata, e GN-z11 è un buon esempio del perché. Scoperto con il Telescopio Spaziale Hubble e annunciato in un articolo del 2016, GN-z11 ha detenuto il titolo della galassia più antica e più lontana mai identificata nell'universo osservabile, con uno spostamento verso il rosso spettroscopico di z = 10,957, corrispondente a una distanza propria di circa 32 miliardi di anni luce – fino a quando il Telescopio Spaziale James Webb ha trovato JADES-GS-z13-0 nel 2022 e ha preso il sopravvento sul record.
Quel regno di sei anni è un ricordo dello stesso schema visto nelle stime del numero di galassie: ogni generazione di telescopi spinge i bordi dell'universo conosciuto più lontano, e l'attuale detentore del record è solo la galassia più lontana che qualcuno ha trovato finora, non necessariamente quella più lontana che esiste.