sabato 7 febbraio 2015

Quante galassie ci sono nell'universo?

Il Telescopio Spaziale Hubble quest'anno compie 25 anni di attività. Stiamo parlando di un telescopio della Nasa che, finora nella sua gloriosa carriera, ci ha fornito straordinarie immagini che hanno contribuito a incrementare la nostra conoscenza dell'universo.

Su tutte, secondo me, domina però la seguente che ora andrò a mostrarvi e descrivervi un attimo:


Questa spettacolare immagine si chiama Hubble Ultra Deep Field 2014 (HUDF2014).

Ogni puntino rappresenta una galassia (a parte poche eccezioni che sono stelle della Via Lattea) e ogni puntino, cioè ogni galassia, contiene circa cento miliardi di stelle!

Si tratta di una composizione del precedente Ultra Deep Field che il telescopio Hubble aveva già scattato negli anni precedenti (dal 2003 al 2009) in cui si riuscivano a vedere galassie nell'intervallo di lunghezze d'onda dall'infrarosso al visibile. HUDF2014 aggiunge anche le immagini delle galassie nell'ultravioletto e tra un attimo vedremo perché tutto ciò è importante.
Ma ora raccogliamo per bene le idee e partiamo dall'inizio.


Innanzitutto, dove è stata presa questa foto. Ci sono un sacco di galassie in HUDF2014 ma in realtà si tratta solo di un minuscolo quadratino di cielo (il che rende tutto ancora più impressionante!). Non mi credete? Allora guardate questo video:


Pazzesco!

Ora occupiamoci dell'intervallo di lunghezze d'onda della luce a cui si è osservato per ottenere l'immagine di HUDF2014 e cioè dall'infrarosso (luce a bassa frequenza) all'ultravioletto (luce a frequenza più alta); d'altro canto poi queste sono le lunghezze d'onda disponibili per il telescopio spaziale Hubble.
Allora, dovete sapere che la luce ultravioletta viene soprattutto da stelle molto calde, grosse e "giovani" (metto tra virgolette perché quando si parla di gioventù stellare si contano sempre le centinaia di milioni di anni al contrario dei miliardi di anni delle stelle "vecchie"). Osservare queste stelle vuol dire osservare stelle "appena" sfornate e quindi la radiazione ultravioletta è un chiaro segnale per gli astronomi di formazione stellare in corso. Purtroppo anzi, per fortuna di noi esseri umani l'atmosfera terrestre blocca la radiazione ultravioletta e quindi bisogna osservare questa radiazione con un telescopio lanciato nello spazio (in orbita dai, così suona meno estremo!).

Dall'altra parte c'è la luce infrarossa. A causa dell'espansione dell'universo, incredibilmente ma non troppo, la radiazione infrarossa delle galassie lontane (dipende dalla distanza) non è altro che in realtà luce ultravioletta!
Ma come è possibile?
Quando una galassia lontana emette luce ultravioletta, questa luce viaggia in un universo che si espande; l'espansione agisce come un ferro da stiro e "allunga" la lunghezza d'onda della luce ultravioletta...fino a farla diventare infrarossa!

Ovviamente, ripeto, questo dipende dalla distanza delle galassie che si stanno osservando. Allora voi potreste chiedere: come facciamo a sapere che una galassia che stiamo osservando nell'infrarosso è effettivamente una galassia lontana? Ecco, bella domanda.
La risposta è: misuriamo il redshift. Per sapere di cosa si tratta, rimando a questo post.

Dunque, alla fine della fiera, la luce ultravioletta delle galassie lontane diventa infrarossa per colpa dell'universo che si espande. Ecco perché diventa necessario avere un ampio intervallo di lunghezze d'onda da studiare se vogliamo capire come le galassie si sono evolute nel corso dei miliardi di anni di storia dell'universo e confrontarle tra loro soprattutto.

Eh già, perché galassia lontana equivale anche a luce emessa più indietro nel tempo.
Per questo le galassie lontane in HUDF2014 rappresentano anche le prime galassie che si sono formate nell'universo; dunque una volta chiarito a che lunghezze d'onda osservarle, si possono anche studiare in confronto alle galassie più vicine a noi e quindi già belle che evolute e mature.

Insomma ce n'è per tutti i gusti in HUDF2014: galassie vicine (quindi vecchie!) e galassie lontanissime (quindi giovani, agli albori dell'universo praticamente!).

Verrebbe da chiedersi (giustamente, direi): ma quante galassie ci sono in questa foto? Eh, parecchie! Diciamo 10-15 mila più o meno!

Ora uno potrebbe fare una cosa. Si potrebbe dire una cosa del genere: supponiamo che HUDF2014 sia un pezzetino di universo come tutti gli altri e che quindi il numero di galassie che vediamo non sia troppo diverso dal numero medio di galassie che ci aspettiamo di osservare in pezzi di universo simili e grandi come HUDF2014. Allora se contiamo in quanti pezzettini grandi come HUDF2014 possiamo scomporre il cielo e poi lo moltiplichiamo per 10-15 mila (cioè il numero di galassie in un pezzettino) allora otteniamo il numero totale di galassie osservabili nell'universo (galassia più, galassia meno).

Dunque, procediamo: un lato di HUDF2014 è pari a 0.05 gradi sulla sfera celeste, pari dunque ad un'area di 0.0025 gradi quadrati.
In tutto il cielo ci sono più o meno 40 mila gradi quadrati. Perciò questo vuol dire che possiamo scomporre il cielo in circa 16 milioni e mezzo di pezzi grandi come HUDF2014 (ho semplicemente diviso il numero totale di gradi quadrati per il numero di gradi quadrati di HUDF2014).

Ora se in ognuno di questi pezzettini ci sono 10-15 mila galassie allora abbiamo che in totale il numero di galassie osservabili é di...aspettate che prendo fiato...vado... dunque il numero di galassie osservabili è di qualche centinaio di miliardi!

Ricordate però che queste sono le galassie osservabili. Cioè quelle che sono sotto il nostro raggio di visibilità, ovvero quelle ad una distanza tale che la luce ha avuto il tempo di arrivare sino a noi.
Ovviamente, l'assunzione principale di questo mini-calcolo è che HUDF2014 rappresenti in piccolo l'intero universo.

Insomma, ricapitolando, eravamo lì un attimo fermi a guardare la foto dell'universo profondo, a capire che si riuscivano ad osservare galassie giovanissime a una decina di miliardi di anni luce di distanza e poi, addirittura, ci siamo trovati a contare, con un calcolo di un semplice pazzesco, il numero di galassie che più o meno possiamo osservare nell'universo e abbiamo trovato un numero...cioè amici magari voi stavate leggendo questo post alla fermata del bus e con una semplicità disarmante avete calcolato il numero di galassie che si possono osservare nell'universo!
Niente, lo dico sempre io che fare scienza supera di gran lunga il guardare film di fantascienza.