Scheda di Messier 31 (M31)

La galassia M31 è sicuramente l'attrazione maggiore del cielo di Andromeda.
Nota fin dai tempi antichi, già nel 964 se ne riportava una descrizione di 'Piccola Nube'. Le prime osservazioni telescopiche, del 1612 ad opera di Simon Marius, parlavano di 'nube irregolare' ma qualcosa non quadrava, tanto che Lord Rosse, nel 1845, avanzò l'ipotesi che M31 potesse essere risolta in stelle anche perché, secondo i calcoli di sir William Huggins, lo spettro di M31 era molto diverso da quello di nebulose come M42 in Orione.
Tramite lo studio delle Cefeidi trovate all'interno di M31, Edward Hubble stimò la distanza della 'nube' in 900 mila anni luce, decisamente troppi per essere un oggetto della nostra Galassia. In seguito la stima fu corretta in 2.200.000 anni luce, dopo una correzione sui dati delle Cefeidi.
M31 è un oggetto debole come tutte le galassie, ma è anche l'oggetto più distante che il nostro occhio riesce a vedere, nelle notti buie e limpide, senza ausilio di strumenti ottici. In tali circostanze appare come una nebulosità indistinta, ma la visione attraverso binocoli e telescopi diventa molto più interessante.
Si tratta di una spirale di tipo Sb, quindi come la nostra sebbene la sua massa sia almeno una volta e mezza quella della nostra Galassia (il diametro dovrebbe arrivare a 180.000 anni luce contro i nostri 100.000) e contenga molte più stelle dei nostri cento miliardi (dovrebbero essere almeno 400 miliardi).

La sua posizione, purtroppo, è poco inclinata verso di noi quindi non possiamo apprezzarne la forma a spirale e ne perdiamo la grande bellezza. E' vista di tre quarti rispetto al nostro piano di osservazione, ma oggi sappiamo che la sua struttura è molto complessa e che rappresenta la galassia più grande del Gruppo Locale, del quale fa parte anche la Via Lattea.
Al suo contorno ci sono più di 300 ammassi globulari e, per quanto fioca, è anche una radiosorgente. Il suo nucleo, largo 12 mila anni luce, ricorda una galassia ellittica ed infatti recenti studi dimostrano come M31, in passato, inghiottì proprio una galassia ellittica, come si intuisce anche dall'inclinazione del nucleo rispetto all'asse della spirale.
Proprio il buco nero centrale risulta circondato da un ammasso di stelle decisamente asimmetrico il che va a confermare proprio la passata fusione di M31 con una galassia satellite: le orbite stellari e la loro configurazione intorno al centro di Andromeda, infatti, sembrano avallare in pieno l'idea di un potente scontro avvenuto miliardi di anni fa. Il processo avrebbe instaurato una danza frenetica dei buchi neri supermassivi chiamati in causa fino a determinarne lo scontro e la generazione di un unico buco nero con rilascio di onde gravitazionali. Il buco nero dovrebbe quindi aver subito un rinculo tale da venir sbalzato via dal centro a milioni di chilometri orari. Le orbite stellari degli astri circostanti sarebbero state allungate proprio da questo evento. (The Astrophysical Journal Letters - “On the Formation of an Eccentric Nuclear Disk following the Gravitational Recoil Kick of a Supermassive Black Hole” - Tatsuya Akiba et al.) Per localizzarla, puntate lo sguardo nei pressi della stella nu Andromedae. La vedrete accompagnata da due galassie satellite: M32 e M110.
Il nucleo è composto da stelle rosse e gialle molto vecchie, in numero di 50-60 per anno luce cubo che rappresenta una densità davvero molto elevata. Da questo partono i bracci della spirale. Walter Baade ne identificò almeno sette, ricchi di stelle giganti azzurre, ammassi galattici e nebulose oscure.
Il nucleo ruota in 11 milioni di anni, mentre le parti esterne hanno periodi di rivoluzione compresi tra i 90 ed i 200 milioni di anni.
In media, ogni anno appaiono una trentina di novae con magnitudini comprese tra la 15 e la 19. La più famosa è la S Andromedae del 1885, che il 20 agosto raggiunse magnitudine 6 tanto da essere visibile ad occhio nudo prima di scendere, in pochi mesi, a magnitudine 15.
Fu la prima nova extragalattica mai scoperta, anche se ancora non si conosceva la natura extragalattica di M31, che soltanto nel 1924, con Hubble, fu ben individuata.
Oltre alle famose galassie satellite, già citate, altre due galassie minori sono considerate satelliti di M31: si tratta delle piccole galassie irregolari NGC 185 e NGC 147, il cui diametro non dovrebbe superare i 3-4 mila anni luce.

Nel 2019 le osservazioni del Sardinia Radio Telescope (SRT) hanno evidenziato, mappando la galassia nelle microonde a 4.5 cm e frequenza 6.7 GHz, una emissione fino ad allora sconosciuta e non spiegabile con l'interazione tra mezzo interstellare e campo magnetico. La tesi più accreditata vede questa emissione dovuta a a piccoli grani in rotazioner rapida di polvere interstellare (spinning dust). Si tratta di qualcosa già intravisto nel 2015 dal satellite Planck e che nel 2019 ha trovato conferma (The Astrophysical Journal Letters - “Strong evidence of Anomalous Microwave Emission from the ux density spectrum of M31” –  di Battistelli, E.).

Una coppia di buchi neri è stata osservata inaspettatamente e potrebbe trattarsi della coppia legata in maniera più forte conosciuta al momento della scoperta. Le immagini X sono di Chandra X-Ray Observatory mentre quelle ottiche sono di Gemini North e di Palomar: la sorgente si chiama LGGS J004527.30+413254.3 e fa da sfondo alla Galassia di Andromeda. Inizialmente si riteneva che l'oggetto fosse parte di M31 ma i dati più recenti mostrano una distanza ben maggiore, di circa 2.6 miliardi di anni luce dalla Terra. La coppia di buchi neri è posta in sistema e la massa totale è di circa duecento milioni di masse solari (arXiv, Dicembre 2017). 

Il sistema mostra dei periodi che vanno da 80 a 320 giorni. La separazione tra i due oggetti dovrebbe essere di poche centinaia di volte la distanza Terra-Sole indicando che la coppia è inesorabilmente destinata a fondersi con conseguente emissione di onde gravitazionali. La fusione potrebbe verificarsi in un periodo tra 350 e 360 mila anni. Il fatto che si tratti di buchi neri supermassicci, comunque, crea onde più lente che allo stato attuale non possono essere osservate dagli interferometri terrestri. 

M31 e Galassia a confronto

Contrariamente a quanto ritenuto finora, la Galassia di Andromeda non è più grande della Via Lattea: le dimensioni sono simili. La massa di M31 è stata stimata in 800 miliardi di masse solari al pari della massa Galattica e le stime sono basate su una nuova tecnica in grado di misurare le velocità di fuga delle galassie studiate. Per fuggire dalla Via Lattea la velocità di lancio si attesta su 550 km/s e un team dell'ICRAR ha voluto effettuare la stessa misurazione per M31 esaminando le orbite delle stelle più periferiche. Allora cosa accadrà nel momento in cui le due galassie andranno a collidere? Lo scenario ora è totalmente diverso e le simulazioni dovranno tener conto delle nuove masse in gioco.

Il sistema mostra dei periodi che vanno da 80 a 320 giorni. La separazione tra i due oggetti dovrebbe essere di poche centinaia di volte la distanza Terra-Sole indicando che la coppia è inesorabilmente destinata a fondersi con conseguente emissione di onde gravitazionali. La fusione potrebbe verificarsi in un periodo tra 350 e 360 mila anni. Il fatto che si tratti di buchi neri supermassicci, comunque, crea onde più lente che allo stato attuale non possono essere osservate dagli interferometri terrestri. 

La galassia di Andromeda potrebbe avere una età di non più di tre miliardi di anni e la sua origine starebbe nel crask di due galassie minori. L'età della galassia è sempre stata al centro del dibattito visto il notevole gap esistente tra le età delle stelle che compongono M31 e il moto spesso caotico delle stelle stesse, e così simulazioni al supercomputer hanno cercato una soluzione. I risultati sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Secondo lo studio, due galassie (delle quali una quattro volte più massiccia dell'altra) si sarebbero incontrate dando vita a una interazione in un periodo tra 7 e 10 miliardi di anni fa. La fusione sarebbe stata terminata in un periodo tra 1.8 e 3 miliardi di anni fa.
Due ricostruzioni di seguito:

In M 31 è stato rinvenuto anche il primo resto extragalattico associato a una nova anziché a una supernova.(articolo)

Di fusioni, del resto, sembra essere costellata la storia della galassia di Andromeda visto che nella sua forma e nel suo moto stellare esistono i segni di un passato fatto di cannibalismo verso galassie minori, l'ultima delle quali sarebbe stata fagocitata pochi miliardi di anni fa. Tracce, seppur deboli, risalgono anche a dieci miliardi di anni fa, quando la galassia si stava ancora formando. In tutto, Andromeda possiede un alone di stelle molto più complesso di quello della Via Lattea, segno di molte collisioni, e tracciando questi residui è possibile riscrivere la storia della galassia. Due particolarità su tutte: resti di cannibalismo sono presenti su tutto il disco, a testimonianza di una alimentazione ai danni di tutta la rete cosmica, mentre una direzione preferita sembra essere quella del piano dei satelliti, sul quale sono allineate alcune galassie nane (Nature - “Two major accretion epochs in M31 from two distinct populations of globular clusters” - Dougal Mackey et al - 2019.). Tramite Hubble Space Telescope è stato possibile ottenere inoltre una mappa del gigantesco volume di gas che circonda la galassia, ovvero il suo alone, trovandolo esteso per 1.3 milioni di anni luce che in alcune direzioni diventano 2 milioni. Una distanza che giunge a metà strada rispetto alla Via Lattea e che può indicare come Andromeda sia già a contatto con l'alone Galattico. L'alone di M31 è risultato stratificato, con due distinti gusci di gas. Il guscio più interno si estende per mezzo milione di chilometri e risulta più complesso e dinamico a fronte di un guscio più esterno più liscio e caldo, con una differenza legata probabilmente all'impatto delle supernovae nel disco galattico. Una prova di queste supernovae è rinvenuta nella quantità di metalli riscontrata nel guscio interno. Per misurare l'alone sono stati utilizzati 43 quasar posti ben oltre Andromeda, la cui luce è stata influenzata dalla presenza del gas di M31 tramite righe di assorbimento. L'alone di M31 era già stato provato nel 2015 ma soltanto Hubble, nel 2020, è riuscito a mostrarne la complessità e la dinamica (Nicolas Lehner et al. Project AMIGA: The Circumgalactic Medium of Andromeda, The Astrophysical Journal - 2020).