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Insiemi galattici

GRUPPI DI GALASSIE

Man mano che il progresso tecnologico ha consentito di ampliare la loro veduta, gli astronomi si sono resi subito conto che l'universo si compone di strutture sempre più grandi, che prevedono unione di oggetti sempre più grandi.
E così non solo le galassie sono insiemi di miliardi di stelle, ma sono anche i costituenti di aggregati sempre più grandi, come i gruppi galattici e gli ammassi galattici. E non solo.
Anche gli ammassi galattici sono a loro volta costituenti di strutture ancora più grandi: i superammassi di galassie.
Risulta una struttura spugnosa: un universo formato da numerose e gigantesche bolle di vuoto le cui superfici sono costituite da filamenti di galassie.

gruppi di galassie sono, come già il nome fa intuire, insiemi di galassie caratterizzati, però, dal rispetto di alcuni principi ritenuti convenzionalmente validi. Affinché si abbia un Gruppo di Galassie, quindi, è necessario che:

  • non siano comprese più di 50 galassie con diametro di circa 3 milioni di anni luce;
  • la massa è di circa 1013 masse solari;
  • la differenza di velocità tra le galassie è di circa 150 km/s.

 

Un gruppo galattico è un piccolo ammasso di galassie, tipicamente costituito da una o due decine di membri anche se possono arrivare fino a cinquanta unità.

 

AMMASSI DI GALASSIE

 
Gli Ammassi di Galassie sono insiemi di galassie che vengono tenute insieme dalle rispettive forze di gravità.

All'atto pratico, si può parlare di ammasso di galassie se le galassie sono in numero da 50 a 1000, hanno una massa totale da 1014 a 1015 masse solari, stabilita prevalentemente attraverso il Teorema del Viriale, hanno un diametro di almeno 25 milioni di anni luce, la velocità delle galassie è di circa 1000 km/s, velocità che va diminuendo man mano che ci si allontana dal centro dell'ammasso, la distanza media tra gli ammassi è di circa 10 Megaparsec .

TEOREMA DEL VIRIALE
Il teorema consente di misurare la massa di un ammasso galattico in stato di equilibrio dinamico. All'interno di un ammasso, ogni galassia è accelerata dalla gravità totale subita da parte di ogni atomo facente parte dell'ammasso stesso. Maggiore è la massa dell'ammasso, quindi, e maggiore è la gravità e quindi maggiore è la velocità con la quale le galassie si muovono nelle loro orbite.

Per quanto riguarda la composizione, è stato osservato che spesso gli ammassi sono formati da galassie ellittiche o irregolari, mentre è difficile riscontrare al loro interno una galassia a spirale, se non negli strati più esterni dell'ammasso. Una possibile spiegazione è di tipo evolutivo: le galassie ellittiche deriverebbero dalla collisione di galassie a spirale. Se questo è vero, può darsi che la prevalenza di galassie ellittiche sia dovuta proprio al fatto che in un ammasso le galassie stesse sono particolarmente vicine e tendono, di solito, ad avvicinarsi. Questo avvicinamento potrebbe essere stato causa di collisioni che hanno portato alla formazione delle galassie ellittiche che oggi vediamo. In tal caso, le galassie a spirale che si attestano negli strati più esterni dell'ammasso potranno, in futuro, essere attratte verso il centro e fondersi in altre galassie ellittiche.

Ammassi rivelati dalla forma a "C"Scovare ammassi di galassie non è di certo una cosa facile, per una strana ironia cosmologica: anche se si tratta di oggetti giganteschi, quando le distanze aumentano questi diventano molto deboli e difficilmente osservabili. Uno studio di Agosto 2017 a cura della Boston University e pubblicato su The Astrophysical Journal ha elaborato una nuova idea in grado di fornire indizi circa la presenza distante di ammassi galattici: quasi tutte le galassie maggiori hanno buchi neri supermassicci centrali e questi buchi neri notoriamente divorano materiale emettendo gei getti visibili a onde radio. Se la galassia che emette questi getti si trova in un ambiente di ammasso galattico, è molto probabile che intorno ci sia del gas e ci siano dei venti in grado di deviare il percorso delle onde radio e dei getti in generale, donando una classica forma a "C" alla radiazione osservata. In questo modo il team è riuscito a elaborare un un nuovo catalogo di potenziali ammassi galattici che un giorno potrebbero avere un ruolo fondamentale anche per la determinazione e caratterizzazione delle componenti oscure dell'universo, come materia e energia oscure. 

Ancora sulla composizione, tra le galassie è presente una enorme quantità di gas intergalattico che raggiunge temperature che vanno dai 10 ai 100 milioni di gradi. Gli atomi ionizzati che ne derivano, urtando, emettono raggi X. Il gas intergalattico arriva ad occupare il 10% dello spazio presente tra le galassie. Il resto dovrebbe essere formato da materia oscura, il che è particolarmente importante dal momento che le forze di gravità impresse dagli oggetti visibili non sembrano sufficienti a garantire una coesione tale da far rimanere gli oggetti degli ammassi legati tra loro. La materia oscura dovrebbe essere la causa di questa grande attrazione che tiene unite le galassie.

Ammasso locale di galassie

Una particolarità riguarda la velocità di rotazione intorno al proprio asse delle galassie di un ammasso: le galassie più pesanti per massa ruotano più lentamente delle compagne più leggere. La rotazione dipende dalla massa e non, come si pensava fino a tempo fa, dalla densità dell'ammasso in termini di numero di galassie partecipanti. La scoperta è apparsa su Astrophysical Journal a Agosto 2017 a firma della UNSW Sydney ed è basata sullo studio di 300 galassie, la cui rotazione è stata osservata tramite lo spettrografo SAMI (Sydney-AAO Multi-object Integral field spectrograph). Sono stati presi 61 punti di riferimento sul disco di ciascuna galassia, osservando 13 galassie alla volta. Viene a mancare il link, quindi, tra rotazione galattica e ambiente circostante

Uno studio del Centre for Astronomy of Heidelberg University pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society a Agosto 2017 mostra lo strano caso di Abell 2744: contrariamente alle aspettative al centro non ci sono soltanto le galassie maggiori ma galassie molto estese seppur debolissime, le cosiddette Ultra-Diffuse Galaxies. Se la Terra si trovasse in una galassia di questo tipo, il cielo sarebbe maculato da pochissime stelle con una leggerissima traccia di galassia visibile a solcare il cielo. Sono galassie che producono poche stelle oppure che se le sono viste strappare in passato. Novanta di queste galassie sono state trovate nel cuore dell'Ammasso del Perseo, un insieme molto denso di galassie grandi e piccole distante circa 240 milioni di anni luce. Il mistero riguarda la sopravvivenza di questi oggetti: forse potrebbe entrare in gioco la materia oscura ad evitarne la disgregazione. L'osservazione è stata portata avanti tramite il William Herschel Telescope da 4.2 metri alle Isole Canarie

Ammasso galattico "spazzolino da denti"
 
Ammasso galattico "spazzolino da denti"
 
Le modalità di crescita delle galassie e degli ammassi dipendono da molteplici processi fisici, spesso in competizione, e dal comportamento del gas presente nell'ammasso. C'è più massa in questo gas di quanto non ce ne sia in tutte le stelle di tutte le galassie dell'ammasso stesso e proprio questo gas può trovarsi a temperature di dieci milioni Kelvin o superiori. Come risultato, il gas gioca un ruolo fondamentale nell'evoluzione degli oggetti e spesso può essere osservato in frequenze radio, a volte rivelando strutture filamentose. 
L'oggetto 1RXS J0603.3+4214 contiene tre di queste radiostrutture e un grande alone. La struttura radio maggiore si estende per più di sei milioni di anni luce e conta tre distinte componenti che somigliano a uno spazzolino da denti, da qui il nome di "Toothbrush" galaxy cluster. 
Il "manico" è particolarmente enigmatico visto che il centro è decisamente spostato dagli assi dell'ammasso. L'alone è il risultato della turbolenza prodotta dalla fusione di galassie, anche se ci sono in ballo altre ipotesi. 
Tramite il Very Large Array (VLA) sono state osservate particelle relativistiche, confrontate poi con quanto osservato da Chandra e da altri strumenti. In banda radio, l'ammasso appare avere un perimetro molto sottile, creato da onde d'urto risultanti dalle fusioni. L'alone è simile in entrambe le frequenze, invece. Dato il campo magnetico, o meglio stimato, gli scienziati sono concordi nel dire che lo scenario della fusione è il più probabile per spiegare la strana forma dell'oggetto.

Struttura divisa del fronte d'urto nell'ammasso del Perseo
 
Struttura divisa del fronte d'urto nell'ammasso del Perseo
 
Un fronte d'urto freddo all'interno dell'ammasso di Perseo è stato osservato nei dati di Chandra X-Ray Observatory, un fronte di 2 milioni di anni luce di espansione che viaggia da più di 5 miliardi di anni a circa 300 mila miglia orarie. Nell'immagine, che unisce ai dati di Chandra quelli di XMM-Newton, il fronte è la struttura verticale sulla sinistra. 
Le regioni più fredde sono a 30 milioni di gradi mentre il resto si trova a circa 80 milioni. A stupire non è soltanto la longevità di questa struttura ma anche il mantenimento di una forma splittata in due pezzi diversi priva di segni di erosione. Evidentemente il fronte è stato mantenuto da campi magnetici particolarmente forti e proprio l'immagine di Chandra fornisce una indicazione sulla forza magnetica che accompagna strutture di questo tipo. 
In tal caso il campo magnetico è alimentato dalla collisione tra ammasso e altri ammassi di galassie e precisamente dalla gravità dell'ammasso principale che guida l'ammasso minore verso il centro. Al passaggio ravvicinato verso il centro, l'attrazione gravitazionale tra le strutture causa una sorta di rotazione del gas, come del vino fatto girare in un bicchiere. Questo effetto produce un pattern a spirale verso l'esterno. 

Immagine di Hubble Space Telescope di Abell 1758.

Immagine di Hubble Space Telescope di Abell 1758.

Gli ammassi possono essere molto complessi. Abell 1758 è un ammasso galattico che brilla molto nel cosmo, accompagnato da una miriade di luci di stelle in primo piano e da altre galassie a spirale. A1758N è una parte di Abell 1758, un sotto-ammasso, contenente centinaia di galassie e composto di due ulteriori sotto-strutture attualmente coinvolte in un processo di fusione. 

L'ammasso venne identificato per la prima volta nel 1958 e fu riportato inizialmente come oggetto singolo, ma dopo quaranta anni le osservazioni in banda X di ROSAT evidenziarono la natura doppia di Abell 1758. Da allora le osservazioni si sono succedute, tra Chandra, XMM-Newton e anche Hubble. Il tutto per mostrare una storia davvero molto complessa per questo oggetto. I due ammassi principali distano tra loro 2.4 milioni di anni luce e sono battezzati A1758N e A1758S, Nord e Sud quindi. L'immagine di Hubble, in alto, riporta la struttura dell'ammasso Nord, composto a sua volta di sue sottostrutture note come A1758NE e A1758NW. 

Gli studi hanno rivelato anche la presenza di un alone radio e di due segnali minori all'interno di Abell 1758

Abell 168
 
Abell 168
 
All'interno dell'ammasso galattico Abell 168 sono stati rinvenuti, a marzo 2018, due fossili radio che potrebbero dire molto riguardo la fusione di oggetti galattici. Si tratta di emissioni radio diffuse che si rinvengono in forma di archi spettacolari, singoli o doppi, nelle periferie degli ammassi galattici. Le osservazioni sono state ottenute tramite il Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) e il Karl G. Jansky Very Large Array (VLA).
Abell 168 è un ammasso galattico di piccola massa e relativamente vicino, con massa di 152 trilioni di masse solari e le prime osservazioni radio sono state ottenute nel 2011. 
Uno degli archi appare particolarmente allungato e sottile, nella zona nord periferica dell'ammasso a circa 3 milioni di anni luce dal centro dell'ammasso stesso: si estende per 2.6 milioni di anni luce circa. La seconda struttura ha una forma ad anello e una dimensione di circa 700 mila anni luce, si trova nei pressi del bordo interno.

Quasar superluminosi visti da Subaru
 
Quasar superluminosi visti da Subaru
 
Circa duecento protoammassi di galassie sono stati osservati tramite Subaru Telescope e Suprime-Cam a una distanza di 12 miliardi di anni luce. Dalle osservazioni è stato possibile osservare come la presenza di quasar sia molto rara in questi protoammassi ma anche come, in presenza di un quasar, questo sia accompagnato da un secondo oggetto simile. Una simile osservazione mette in dubbio il legame tra protoammassi e quasar che viene spesso utilizzato: dal momento che i protoammassi distanti sono molto deboli, in genere la loro presenza viene approssimata dalla presenza di un quasar ma questo, a quanto pare, non è poi così reale. Sono stati campionati 151 quasar luminosi e la gran parte di essi non è assolutamente legata a regioni di densità galattica. A questo punto non solo la relazione ammasso-quasar viene meno ma occorre trovare anche un altro meccanismo, oltre alla fusione galattica, in grado di fornire materiale ai quasar stessi.
Curiosa è invece la presenza di coppie di quasar all'interno dei protoammassi, visto che si tratta di coppie molto rare.

CLASSIFICAZIONE

La classificazione degli ammassi galattici può essere parametrizzata in base al numero di componenti oppure alla forma.
Dal punto di vista del numero di galassie, la ricchezza di un ammasso non viene calcolata in base al numero in assoluto di galassie, ma al numero di galassie brillanti che è possibile contare in un'area di circa 1,5 MParsec dal centro. Si ottengono ammassi ricchi ed ammassi poveri.

Dal punto di vista della forma, ci sono ammassi regolari ed ammassi irregolari. Gli ammassi regolari presentano una maggiore concentrazione al centro ed una uniformità di dispersione che li rende quasi sferici (es.: Ammasso della Chioma di Berenice). Gli ammassi irregolari, invece, presentano un livello di concentrazione meno uniforme ed una dispersione che fa assumere all'ammasso stesso una forma più frastagliata (es.: Ammasso della Vergine).

Recentemente una nuova suddivisione è avvenuta in base alla misura dell'entropia nel centro dell'ammasso galattico. Due gruppi di studio indipendenti hanno dimostrato come l'entropia del caldissimo plasma negli ammassi si distribuisce muovendosi dal centro alla periferia, e ciò si verifica in tutti gli ammassi: poca entropia nel centro e molta in periferia. Metà degli oggetti studiati ha al centro una bassa quantità di entropia mentre l'altra metà presenta un valore più elevato. L'entropia è la misura del disordine di un oggetto: laddove al centro sia presente una entropia maggiore, vuol dire che è successo qualcosa di molto violento. Visto che molti ammassi presentano una galassia molto massiccia con nucleo attivo (AGN), si può ritenere che la maggiore entropia sia dovuta all'attività intensa e recente di un AGN che nel tempo ha interagito e sconvolto l'ambiente circostante.

Immagine composita in banda radio (verde) e X (rosso) dell'ammasso. Image Credit: Finner et al., 2017.Una forma "particolare" viene fornita dalle interazioni gravitazionali di ammassi e in questo contesto si cala, ad esempio, PLCK G287.0+32.9 (arXiv del 6 ottobre 2017) del quale sono stati diffusi dettagli grazie alle osservazioni portate avanti tramite Subaru Telescope. L'ammasso è stato scoperto dal telescopio Planck dell'ESA nel 2011 e le prime osservazioni rivelarono una massa molto elevata, pari a circa 1.57 quadrilioni di masse solari. Studi successivi evidenziarono due emissioni radio in direzione dell'ammasso: si tratta di emissioni di sincrotrone diffuse e allungate, che si verificano come archi singoli o doppi alla periferia degli ammassi galattici. Si ritiene che simili strutture possano essere originate dall'accelerazione e ri-accelerazione dovuta allo shock di fusioni. PLCK G287.0+32.9 evidenzia una notevole asimmetria in queste emissioni radio il che porta a uno scenario di fusione molto complesso che ha indotto un team della Yonsei University di Seoul a indagare tramite lente gravitazionale debole per giungere a una distribuzione di materia oscura. Al Subaru Telescope si è aggiunto poi Hubble Space Telescope e lo studio ha consentito di giungere alle prime limitazioni della distribuzione di massa dell'ammasso ma anche di scoprire cinque sottostrutture. L'ammasso è risultato più massiccio di quanto ritenuto fino ad allora, con massa di circa 2.04 quadrilioni di masse solari. La massa stessa è dominata dall'ammasso primario con tre sottostrutture che accolgono il 10% della sua massa. La massa dell'ammasso secondario dovrebbe essere inferiore di circa un fattore 10.

Fino agli anni Ottanta del secolo scorso si riteneva che gli ammassi galattici fossero le strutture più gradi ma il ruolo fu sottratto dai superammassi. In realtà i superammassi non sono tenuti legati dalla gravità quindi si può sostenere ancora oggi che gli ammassi galattici siano gli oggetti gravitazionalmente legati più grandi nella struttura dell'universo. La parte più interessante degli ammassi galattici è data dal mezzo intergalattico (ICM - IntraCluster Medium): le alte temperature sono create dalle strutture più piccole che si formano nell'ammasso. Gran parte della materia visibile di un ammasso risiede proprio nel mezzo intergalattico, evidentissimo in banda X, ma la gran parte della materia in assoluto è presente sotto forma di materia oscura. 

PLCK G308.3-20.2

PLCK G308.3-20.2 - Credit Hubble Space Telescope

L'immagine in alto mostra l'ammasso PLCK G308.3-20.2 ed è ripreso dalla Advanced Camera for Surveys e dalla Wide Field Camera 3 di Hubble Space Telescope nell'ambito del programma RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey).

SUPERAMMASSI DI GALASSIE

 

Superammassi di Galassie sono ammassi di ammassi di galassie, legati gravitazionalmente.
Superammasso galattico ripreso da HubbleLa tendenza all'interno dell'Universo sembra essere quella dell'aggregazione: molte stelle tendono ad organizzarsi in sistemi binari, ternari o multipli. Più su di gradino ci sono gli ammassi stellari, aperti o globulari.

Ancora più su nella scala esistono le galassie, le quali a loro volta si aggregano in gruppi galattici ed ammassi galattici . L'ultimo piolo della scala dovrebbe essere rappresentato dai superammassi di galassie: insiemi di ammassi galattici legati da fenomeni gravitazionali.
La dimensione di un superammasso arriva a centinaia di milioni di anni luce e contiene migliaia di galassie. Al momento il superammasso è l'insieme più grande studiato, anche se in teoria potrebbe essere possibile ipotizzare l'esistenza di ammassi di superammassi.
Come si vedrà, anche i superammassi fanno però parte di strutture "di disposizione" più grandi dal momento che questi immensi oggetti risultano disposti su filamenti che racchiudono immense bolle di vuoto, a tessere un aspetto spugnoso per il nostro universo visibile.


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