Le galassie – quelle vaste collezioni di stelle che popolano il nostro universo – sono dappertutto. Ma quante galassie ci sono nell’universo? Contarle sembra un compito impossibile. Il numero puro è un problema – una volta che il conteggio raggiunge i miliardi, ci vuole un po’ per fare l’addizione. Un altro problema è la limitazione dei nostri strumenti. Per ottenere la vista migliore, un telescopio deve avere una grande apertura (il diametro dello specchio principale o della lente) ed essere situato al di sopra dell’atmosfera per evitare la distorsione dell’aria della Terra.
Forse l’esempio più risonante di questo fatto è l’Hubble eXtreme Deep Field (XDF), un’immagine realizzata combinando 10 anni di fotografie del telescopio spaziale Hubble. Il telescopio ha osservato una piccola zona di cielo in visite ripetute per un totale di 50 giorni, secondo la NASA. Se si tiene il pollice alla lunghezza del braccio per coprire la luna, l’area XDF sarebbe circa la dimensione della testa di uno spillo. Raccogliendo una luce debole durante molte ore di osservazione, la XDF ha rivelato migliaia di galassie, sia vicine che molto distanti, rendendola l’immagine più profonda dell’universo mai scattata in quel momento. Quindi, se quel singolo piccolo punto ne contiene migliaia, immaginate quante altre galassie potrebbero essere trovate in altri punti.
Mentre le stime tra i diversi esperti variano, un intervallo accettabile è tra 100 miliardi e 200 miliardi di galassie, ha detto Mario Livio, un astrofisico dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland. Quando il James Webb Space Telescope verrà lanciato nel 2020, l’osservatorio dovrebbe rivelare ancora più informazioni sulle prime galassie dell’universo.
Andare in profondità
Al meglio delle conoscenze di Livio, Hubble è il miglior strumento disponibile per il conteggio e la stima delle galassie. Il telescopio, lanciato nel 1990, aveva inizialmente una distorsione sul suo specchio principale che è stata corretta durante una visita allo shuttle nel 1993. Hubble ha anche subito diversi aggiornamenti e visite di servizio fino all’ultima missione dello shuttle nel maggio 2009.
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 fu una stima di 3.000 galassie deboli in un singolo fotogramma, che arrivavano fino alla trentesima magnitudine. (Per confronto, la Stella Polare o Polaris è a circa 2a magnitudine.) Questo insieme di immagini fu chiamato Hubble Deep Field ed era il più lontano che qualcuno avesse visto nell’universo all’epoca.
Quando 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’esposizione di un milione di secondi ha rivelato circa 10.000 galassie in un piccolo punto nella costellazione di Fornax.
Nel 2012, sempre utilizzando strumenti aggiornati, gli scienziati hanno usato il telescopio per guardare una parte dell’Ultra Deep Field. Anche in questo campo visivo più stretto, gli astronomi sono stati in grado di rilevare circa 5.500 galassie. I ricercatori hanno soprannominato questo l’eXtreme Deep Field.
Tutto sommato, Hubble rivela circa 100 miliardi di galassie nell’universo, ma è probabile che questo numero aumenti a circa 200 miliardi man mano che la tecnologia dei telescopi nello spazio migliora, ha detto Livio a Space.com.
Contare le stelle
Qualunque strumento venga usato, il metodo di stima del numero di galassie è lo stesso. Si prende la porzione di cielo ripresa dal telescopio (in questo caso, Hubble). Poi – usando il rapporto tra la porzione di cielo e l’intero universo – si può 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 dello spazio e del tempo. Con questa comprensione in mano, diversi scienziati (incluso Einstein) cercarono di capire come la gravità influenzasse l’intero universo.
“L’ipotesi più semplice da fare è che se si osservasse il contenuto dell’universo con una visione sufficientemente scarsa, esso apparirebbe più o meno lo stesso ovunque e in ogni direzione”, ha dichiarato la NASA. “Cioè, la materia dell’universo è omogenea e isotropa quando si fa la media su scale molto grandi. Questo è chiamato principio cosmologico.”
Un esempio del principio cosmologico al lavoro è il fondo cosmico a microonde, una radiazione che è un residuo delle prime fasi dell’universo dopo il Big Bang. Usando strumenti come il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe della NASA, gli astronomi hanno scoperto che la CMB è praticamente identica ovunque si guardi.
Il numero di galassie cambierebbe con il tempo?
Le misurazioni dell’espansione dell’universo – guardando le galassie allontanarsi da noi – mostrano che ha circa 13,82 miliardi di anni. Man mano che l’universo diventa più vecchio e più grande, tuttavia, le galassie si allontaneranno sempre di più dalla Terra. Questo le renderà più difficili da vedere nei telescopi.
L’universo si sta espandendo più velocemente della velocità della luce (il che non viola il limite di velocità di Einstein perché l’espansione è dell’universo stesso, piuttosto che di oggetti che viaggiano attraverso l’universo). Inoltre, l’universo sta accelerando la 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 al di là di quello che possiamo vedere dalla Terra.
“Possiamo vedere solo la luce delle galassie la cui luce ha avuto abbastanza tempo per raggiungerci”, ha detto Livio. “Non significa che sia tutto quello che c’è nell’universo. Da qui, la definizione di universo osservabile.”
Le galassie cambiano anche 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 del nostro Gruppo Locale – le galassie più vicine a noi – alla fine si uniranno. I residenti di quella galassia futura avrebbero un universo molto più oscuro da osservare, ha detto Livio.
“Le civiltà iniziate allora, non avrebbero prove che ci fosse 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.”
Che dire di altri universi?
Come l’universo primitivo si è gonfiato, ci sono alcune teorie che dicono che diverse “tasche” si sono staccate e hanno formato diversi universi. Questi diversi luoghi potrebbero espandersi a ritmi diversi, includere altri tipi di materia e avere leggi fisiche diverse dal nostro universo.
Livio ha sottolineato che potrebbero esserci galassie in questi altri universi – se esistono – ma al momento non abbiamo modo 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 saranno meglio in grado di affinare il numero dopo il lancio del James Webb Space Telescope (di cui il suo istituto gestirà le operazioni di missione e la scienza). Hubble è in grado di scrutare le galassie che si sono formate circa 450 milioni di anni dopo il Big Bang. Dopo il lancio di James Webb nel 2020, gli astronomi prevedono di poter guardare indietro fino a 200 milioni di anni dopo il Big Bang.
“I numeri non cambieranno molto”, ha aggiunto Livio, sottolineando che le prime galassie probabilmente si sono formate non molto tempo prima. “Quindi un numero come 200 miliardi 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 rivelino come si è formato l’universo. Secondo la NASA, le galassie sono una rappresentazione di come la materia nell’universo era organizzata – 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 capire meglio le strutture delle galassie che ci circondano oggi.
“Studiando alcune delle prime galassie e confrontandole con quelle di oggi, potremmo essere in grado di capire la loro crescita ed evoluzione. Webb permetterà anche agli scienziati di raccogliere dati sui tipi di stelle che esistevano in queste galassie molto antiche”, ha detto la NASA della missione Webb. “Osservazioni successive con la spettroscopia di centinaia o migliaia di galassie aiuteranno i ricercatori a capire come gli elementi più pesanti dell’idrogeno si sono formati e accumulati man mano che la formazione delle galassie procedeva nel tempo. Questi studi riveleranno anche dettagli sulle galassie che si fondono e faranno luce sul processo di formazione delle galassie stesse.”
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?
- Come i buchi neri centrali delle galassie influenzano le galassie che li ospitano?
- Cosa succede quando galassie piccole e grandi si scontrano o si uniscono?
Gli scienziati sono anche interessati al ruolo che la materia oscura gioca nell’assemblaggio delle galassie. Mentre una parte dell’universo è visibile in forme come le galassie o le stelle, la materia oscura è ciò che compone la maggior parte dell’universo – circa l’80% di esso. Mentre la materia oscura è invisibile nelle lunghezze d’onda della luce o attraverso le emissioni di energia, gli studi di galassie risalenti agli anni ’50 hanno indicato che c’era molta più massa presente in loro di quella visibile ad occhio nudo.
“I modelli al computer che gli scienziati hanno fatto per capire la formazione delle galassie indicano che le galassie sono create quando la materia oscura si fonde e si raggruppa insieme”, ha detto la NASA. “Si può pensare ad essa come all’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’ insieme è che i piccoli oggetti si formano per primi, e sono attirati insieme per formare quelli più grandi.”
I potenti specchi di Webb permetteranno agli scienziati di guardare la formazione delle galassie – compreso il ruolo della materia oscura – da vicino. Mentre questa indagine non risponde direttamente a quante galassie ci sono nell’universo, aiuta gli scienziati a capire meglio i processi dietro le galassie che vediamo, che a sua volta informa meglio i modelli sulle popolazioni galattiche.