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Come sono nate le galassie

Mentre le stelle che stanno nascendo si possono vedere, perché questo processo si ripete continuamente, è difficilissimo vedere direttamente lo sviluppo iniziale delle galassie, perché ciò è avvenuto tantissimo tempo fa, quindi, in virtù dell'espansione dell'Universo, a una distanza enorme: spiegare la nascita delle galassie è pertanto un compito molto arduo. Attualmente si dà maggiore credito alla teoria secondo la quale le galassie si sarebbero formate dall'accumulazione di singoli pezzi, piuttosto che a quella che le fa derivare dal collasso di una nube di gas gigantesca. Tutte le teorie ipotizzano che, affinché le galassie esistano, ci devono essere state delle piccole disomogeneità nella materia uniforme dell'Universo primordiale, cioè delle piccole irregolarità locali che sarebbero poi evolute per dar luogo a strutture più grandi. Tali disomogeneità sono state osservate per la prima volta nel 1992 dal satellite Cobe sotto forma di piccole fluttuazioni di temperatura nella radiazione cosmica residuo del Big Bang che permea omogeneamente l'Universo: la loro misurazione precisa è importante perché permette di limitare il periodo di tempo in cui sono nate le galassie.
Le osservazioni effettuate sulle galassie, sia nel campo ottico sia in quello radio (che permette uno studio più esteso) rivelano che la maggior parte di esse sono piatte nelle regioni centrali del disco e incurvate in quelle esterne. Le regioni esterne sono le meno luminose, quindi le più difficili da osservare in dettaglio; il fenomeno della curvatura si utilizza pertanto anche per determinare le loro proprietà fisiche, e anche quelle di altre parti della galassia che non si possono ben osservare. Le informazioni ottenute in questo modo dipendono però dal modello teorico assunto per spiegare la curvatura. Tra le teorie che spiegano la curvatura c'è quella che considera come causa la forza di gravità: le regioni esterne della galassia sono incurvate perché meno legate alle forze gravitazionali che confinano il disco in un piano; inoltre, esse risentono maggiormente dell'influenza delle galassie vicine. Secondo un'altra teoria, la curvatura deriverebbe dal fatto che il campo magnetico presente nella galassia cambia di intensità nel passaggio dalle regioni interne a quelle esterne del disco. Un altro modello spiega il fenomeno con la perturbazione introdotta da un accrescimento continuo di materia.
L'idea che le galassie siano concentrazioni di stelle e gas interstellare ben localizzate nell'Universo e non interagenti tra loro è rimasta valida fino a circa la metà degli anni Cinquanta del XX secolo. Le osservazioni fatte lungo tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X, hanno cambiato significativamente questa visione: è diventato evidente che le collisioni tra galassie sono fenomeni tutt'altro che rari nell'Universo. Nel 1956 fu ipotizzata la collisione di due galassie per spiegare come effetto di marea le strutture filamentose e spiraleggianti che si osservano qualche volta nei loro pressi. L'intensa emissione infrarossa osservata durante una collisione tra galassie è dovuta al gran numero di stelle che nascono in questa situazione, nella quale si verifica una forte condensazione di materia interstellare: la luce emessa dalle calde stelle appena nate viene assorbita dalla gran quantità di polvere che le circonda e riemessa poi a lunghezze d'onda maggiori, in infrarosso. Negli anni Ottanta il satellite IRAS ha scrutato l'intero cielo in infrarosso, individuando un centinaio di galassie, una delle quali con una luminosità enormemente più grande di quella solare.
Durante una collisione tra galassie le stelle in esse presenti raramente si scontrano tra loro, perché le loro dimensioni sono molto piccole se confrontate con le tipiche distanze che le separano. Lo scontro è invece inevitabile per il materiale che si trova tra le stelle, costituito da nubi di gas e particelle di polvere fortemente a contatto. L'aumento di pressione causato dalla collisione fa aumentare ancora di più la densità del materiale interstellare e crea le condizioni necessarie per la nascita di nuove stelle attraverso il collasso gravitazionale.
Le galassie possono raggrupparsi in numero elevato (fino a migliaia di componenti) per costituire grandi strutture. Questi enormi raggruppamenti di galassie si estendono su un raggio tipico di 2-5 megaparsec e si presentano in forma regolare, con una forte concentrazione centrale, oppure irregolare (un esempio di quest'ultimo tipo è l'Ammasso della Vergine, il più vicino alla Terra). Nonostante queste enormi concentrazioni di materia, l'Universo è sufficientemente grande da essere considerato su vasta scala omogeneo: infatti, fra gli ammassi esistono regioni molto più ampie che contengono pochissime galassie. La scoperta degli ammassi di galassie è molto importante dal punto di vista cosmologico, perché contribuisce a conoscere meglio il valore della densità di materia del Cosmo. Da tale valore si può stabilire la curvatura dell'Universo e il suo destino, se cioè continuerà a espandersi per sempre, oppure se fermerà la sua espansione,contraendosi su sé stesso; affinché quest'ultima eventualità sia possibile, la densità di materia deve superare un valore critico, oltre il quale l'attrazione gravitazionale tra la materia dell'Universo è in grado prima o poi di contrastare le forze responsabili dell'espansione.

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