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La classificazione delle galassie

La classificazione delle galassie nelle varie famiglie fu proposta nel 1925 da Hubble, l'astronomo che solo pochi mesi prima era stato capace di dimostrare che le 'nebulose a spirale' erano in realtà dei mondi stellari assai distanti ed esterni alla nostra Galassia.
Le galassie si suddividono nelle tre grandi categorie di galassie ellittiche, galassie a spirale e galassie irregolari; ciascuna di queste famiglie si suddivide a sua volta in varie classi e sottoclassi. L’astronomo Hubble ordinò i vari tipi di galassie in una sequenza, chiamata appunto “sequenza di Hubble” o “diagramma a diapason” per la sua forma caratteristica.

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Analizziamo più in dettaglio le galassie su questo diagramma.
Galassie ellittiche. Al telescopio presentano l'aspetto di un disco più o meno schiacciato e non mostrano traccia di struttura interna differenziata. La loro forma può essere a simmetria quasi sferica o presentare l'aspetto lenticolare di un'ellisse. In base al grado di ellitticità queste galassie vengono suddivise in otto classi da E0 (sferiche) a E7 ellitticità assai pronunciata). La cifra che segue la sigla E rappresenta il grado di ellitticità:

esso è espresso dall'indice n=10 [1-(b/a)], dove a e b sono rispettivamente il semiasse maggiore e minore della galassia. Ad esempio le due galassie che accompagnano la nebulosa di Andromeda appartengono alla classe delle ellittiche nane e sono di tipo E2

(M32) ed E5 (NGC 205).

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Figura 2: galassie ellittiche

La maggior parte delle galassie ellittiche sono di dimensioni assai inferiori a quelle della Galassia (la galassia di cui fa parte il sistema solare si suole scrivere con la lettera maiuscola): esse prendono il nome di galassie ellittiche nane e hanno diametro medio dell'ordine di 200 parsec. Si ritiene che le galassie ellittiche nane siano molto numerose, ma a causa delle loro dimensioni modeste (su scala astronomica si intende, dato che 200 parsec equivalgono a più di sei milioni di miliardi di chilometri) molte sfuggono alle nostre osservazioni.
Più rare sono le galassie ellittiche giganti che possono arrivare ad avere diametri paragonabili a quelli della nostra Galassia. Notiamo anche che la forma più o meno ellittica di una galassia è stimata in base all'aspetto che ha la galassia quando è osservata dalla Terra e questo aspetto può essere alterato rispetto a quello reale per un effetto di prospettiva che non possiamo valutare perché non conosciamo gli assi di simmetria dell'ellissoide che rappresenta la galassia. In teoria quindi le galassie ellittiche del tipo E0, cioè quelle dalla forma sferica, potrebbero avere una forma allungata in senso perpendicolare alla visuale.
Galassie a spirale. Le galassie a spirale si differenziano dalle precedenti perché hanno tutte una struttura differenziata del piano del disco in cui è evidente la forma delle braccia a spirale; nel caso che il disco sia visto di profilo esso appare diviso in due parti simmetriche dalla presenza di una striscia di materiale assorbente e tale caratteristica permette di distinguere anche in questo caso una galassia a spirale da una ellittica degli ultimi tipi.
Le galassie a spirale si dividono in due grandi famiglie: quelle a spirale normale e quelle a spirale barrata. Alla prima famiglia appartengono ad esempio la nostra Galassia e la galassia di Andromeda; le braccia a spirale emergono direttamente dal nucleo centrale il quale può rappresentare una frazione più o meno importante della galassia stessa. In base all'importanza relativa del nucleo, le galassie a spirale normale si dividono nei tre sottogruppi Sa, Sb e Sc. Sia la nostra sia la galassia di Andromeda sono di tipo Sb. Nelle galassie a spirale barrata dal nucleo emerge una sbarra dalla quale, invece che dal nucleo, si dipartono le braccia a spirale. Anche queste galassie si suddividono nei tre tipi SBa, SBb e SBc (SB sta per spirale barrata): nel primo tipo le braccia a spirale si avvolgono fino a formare una struttura complessiva quasi circolare intorno alla sbarra che è in posizione diametrale. All'estremo opposto, nelle galassie di tipo SBc le spirali sono molto più allargate e la configurazione complessiva richiama quella di una lettera S.
Infine esiste un tipo di galassie denominate S0 a cui appartengono galassie dal nucleo molto esteso; in esse non è riconoscibile la struttura a spirale, ma, a differenza delle galassie ellittiche, presentano bande oscure di materia assorbente.

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Figura 3: galassia a spirale (sopra) e galassia a spirale barrata (sotto)

Galassie irregolari. Tutte queste galassie hanno in comune una simmetria sferica legata al moto di rotazione della galassia stessa. Questa caratteristica le distingue dalle galassie di tipo irregolare (simbolo Irr) che non hanno nucleo apparente e non sono simmetriche.
Sono galassie irregolari le due Nubi di Magellano. In alcune, le irregolari di tipo I, si osservano stelle, nubi e ammassi, in altre, le Irr II, non è possibile distinguere i vari componenti del sistema, che presenta una struttura amorfa.

Limiti della classificazione di Hubble. La classificazione delle galassie proposta da Hubble parte dalle E0 fino alle E7 a cui seguono le S0; qui la classificazione presenta una biforcazione: un ramo comprende le galassie di tipo S, l'altro quelle di tipo SB. Questo schema, utile per catalogare tipi morfologici diversi di oggetti celesti,

non rappresenta quella sequenza evolutiva che molti astronomi hanno ipotizzato pensando che una galassia sviluppasse nel corso della sua esistenza la struttura di braccia a spirale originariamente assente in una galassia di recente formazione. Per arrivare a comprendere lo stato evolutivo delle galassie non è sufficiente studiarne la

forma e le dimensioni. È necessario riuscire a distinguere e analizzare la loro costituzione sia globale sia delle varie parti di cui sono formate e alla luce dei lavori teorici sull'evoluzione stellare e di quanto si è trovato nella nostra Galassia, per poter avanzare delle ipotesi interpretative sullo stadio evolutivo dei vari tipi di galassie. Questo campo di ricerche ha una storia recente perché necessita di telescopi di grandi dimensioni accoppiati a recettori assai più sensibili della classica emulsione fotografica e perché molte nuove informazioni vengono raccolte estendendo le ricerche a domini spettrali più estesi di quello ottico; non deve quindi sorprendere che tale campo risulti in continua evoluzione.

NOTA: Bisogna tener presente che le galassie sono orientate in maniera casuale in cielo. Per questo motivo alcune galassie a spirale, se sono inclinate rispetto alla nostra linea di vista, ci possono apparire come delle galassie ellittiche. La cosa che distingue le ellittiche dalle spirali è la “polvere” che nelle spirali è presente, talvolta anche in grandi quantità, mentre manca nelle ellittiche. Questa polvere assorbe la luce che le stelle della galassia ci mandano e quindi fa sì che nell’immagine ci siano delle bande scure. Un’altra differenza fondamentale tra ellittiche e spirali sta nel tipo di stelle che le compongono. Le immagini delle galassie ellittiche appaiono

generalmente di colore giallo-arancio, mentre quelle delle spirali hanno prevalenza di colori blu. La differenza di

colore in astronomia si traduce in differenza di età: infatti le stelle blu sono più giovani, mentre quelle nel rosso sono più vecchie. Questa differenza di età delle stelle dei due tipi di galassie è dovuta alla diversa maniera in cui queste si formano. Nelle ellittiche infatti le stelle si formano tutte insieme quando la nube protogalattica collassa e poi si evolvono, quindi hanno tutte la stessa età. Nelle spirali invece si possono distinguere componenti diverse: un “bulge”, che è quello che si forma per primo ed è quindi costituito da stelle più vecchie (di colore rosso) , e un disco più giovane, intorno al quale si avvolgono i bracci di spirale che sono quelli dove si formano sempre nuove stelle (colori più blu).


Hubble originariamente sistemò le galassie in base alla loro diversa forma, nel diagramma a diapason, perché notò una graduale variazione nell’apparenza delle galassie che osservò. Se ci spostiamo lungo i bracci del diagramma, passando da Sa ad Sc, o da SBa ad SBc, possiamo notare i seguenti cambiamenti:
1. aumenta il rapporto tra le dimensioni del disco e quelle del bulge;
2. aumenta l’apertura dei bracci di spirale (si dice che aumenta l’angolo di  pitch, che descrive il “grado di avvolgimento” dei bracci intorno al disco);
3. i colori delle galassie diventano più blu, perché i bracci contengono più stelle giovani;
4. aumenta il contenuto di idrogeno (ma non siamo in grado di vedere questo effetto nelle nostre immagini).

Per quanto riguarda invece le galassie ellittiche, spostandosi nel diagramma varia il grado di “schiacciamento” della galassia.

Sulla base di queste informazioni e utilizzando un semplice software, potremo classificare noi stessi le galassie e creare il nostro diagramma a diapason.

Svolgimento dell’attività

Materiale a disposizione:
 Software JPEGviewer, immagini JPEG di varie galassie prese dal sito www.faulkes-telescope.com, una presentazione per illustrare alla classe l'argomento dell'esercizio.

Fasi dell’attività

FASE 0 - Scelta delle galassie da classificare.
Per riprodurre il diagramma di Hubble abbiamo bisogno di immagini di galassie ellittiche con diversa ellitticità, galassie a spirale e a spirale barrata viste di faccia (importante per misurare bene il grado di avvolgimento dei bracci). Le galassie vanno scelte in modo che siano abbastanza luminose da poter vedere bene i bracci, per le spirali, e i contorni, per le ellittiche. (vedi elenco delle galassie da poter utilizzare con relative distanze, in fondo). Annotiamo la distanza delle galassie scelte (in Megaparsec, unità di misura astronomica per le distanze).


FASE 1 -  Analisi delle immagini.
Esaminate le immagini con cura, ponendo particolare attenzione a queste caratteristiche:
Se pensate che sia una galassia ellittica, una a disco o se è difficile da identificare;
Se la galassia è a disco, verificate se è vista di faccia o se è inclinata;
Se è una spirale, notate se è barrata o meno;
Quanto bracci di spirale ha, quanto sono lunghi e quanto sono avvolti;
Se i bracci di spirale sono chiaramente visibili o appena accennati;
Ogni altra caratterista vi sembri importante.


FASE 2 - Misura.
Usiamo “JPEGviewer” per misurare le quantità che ci servono per classificare le galassie.

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Figura 4: pannello di JPEGviewer

Impostate nel programma la distanza della galassia, per fare in modo che le quantità che misurerete siano nelle giuste unità (parsec, arcominuti o km).
- Per le galassie ellittiche – Misurate le dimensioni dei semiassi, maggiore e minore, della galassia, in modo da poter calcolare il numero n = 10 [1 – b/a], dove a e b sono rispettivamente il semiasse maggiore e minore. Questo numero ci permette di distinguere una galassia E0 (dove n=0) ovvero sferica, da una E7 (n=7) molto schiacciata, e ricostruire il braccio delle ellittiche nel diagramma di Hubble. La misura si effettua disegnando una circonferenza o un ellisse intorno alla galassia (pulsante “Mostra forme”) e poi misurandone la lunghezza dei semiassi (pulsante “Misura”). Il risultato della misura comparirà nel pannello a destra del programma, alla voce "Ellipse”.
- Per le galassie a spirale normali – Misurate il diametro del disco, quello del bulge e le dimensioni angolari e il grado di avvolgimento (pitch angle) dei bracci di spirale. In questo modo possiamo ordinare le spirali sul braccio superiore del diagramma di Hubble, in base al decrescente grado di avvolgimento da Sa ad Sc, ovvero crescente angolo di pitch. Per effettuare questa misura, aprite l’immagine della galassia in esame e poi premete il pulsante “Aggiungi archi di spirale”. A questo punto vi verrà chiesto se la galassia è di faccia (face on) e poi se i bracci si avvolgono in senso orario o antiorario. Dopodiché verrà visualizzato un arco con tra pallini: posizionate quello rosso al centro della galassia, quello verde all’inizio del braccio che volete misurare e quello viola alla fine e poi premete il tasto “Misura”. Sull’immagine comparirà il braccio di spirale: controllate che si adatti bene a quello vero della galassia, e poi leggete l’angolo di pitch a sinistra, alla voce “LOG SPIRALS”. Ripetete la stessa operazione sui vari bracci della galassia.

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Figura 5: esempio di fit dei bracci di una spirale barrata

- Per le spirali barrate – Oltre a misurare l’angolo di pitch, come già fatto per le spirali, misurate anche la lunghezza della barra.

FASE 3 - Costruzione del diagramma di Hubble.
Sulla base delle informazioni raccolte, ordinate le galassie in base ai criteri stabiliti da Hubble e costruite il vostro diagramma a diapason. Successivamente verificate che la vostra classificazione sia corrispondente a quella reale per le varie galassie.


Elenco delle galassie


ELLITTICHE:
M105 (E0)  D = 10.6 Mpc
NGC4649 (E1)  D = 20.9 Mpc
NGC221 (E2)  D = 0.80 Mpc
NGC4621 (E3)  D = 16.9 Mpc
NGC4472 (E4)  D = 15.7 Mpc
NGC4473 (E5)  D = 16.0 Mpc
NGC3377 (E6)  D = 10.7 Mpc
NGC4623 (E7)  D = 14.5 Mpc

SPIRALI:
NGC0718 (Sa)  D = 21.4 Mpc
NGC0772 (Sb)  D = 32.6 Mpc
NGC3486 (Sc)  D = 7.40 Mpc

SPIRALI BARRATE:
NGC4314 (SBa)  D = 9.70 Mpc
NGC0986 (SBb)  D = 23.2 Mpc
NGC1365 (SBc)  D = 17.7 Mpc