Popolazioni stellari e possibilità di pianeti abitabiliMassimo Badiali

Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica – Roma07-02-11

Ci sono diversi tipi di stelle…

La storia delle popolazioni stellari è strettamente legata alla storia della galassia che le ospita. Ci sono diversi tipi di galassie. Le differenze sono sostanziali, per la loro storia che ne condiziona la morfologia e la composizione chimica

Questa storia, naturalmente, è strettamente legata alla cosmologia, che èla storia dell’universo dal Big Bang a oggi (e oltre), trattata a parte. Per ilmomento ci basta sapere che esiste una CLASSIFICAZIONE delle galassie

La classificazione, proposta da Hubble e ancora valida, contiene galassie:•Ellittiche (da E0 a E7 a seconda della eccentricità): le E0 quasi sferiche, le E7 schiacciate•Lenticolari (S0) con struttura a disco e bulbo centrale, non sono evidenti bracci di spirale•Spirali (Sa, Sb, Sc, Sd) bulbo centrale e disco esterno che contiene bracci di spirale da stretti (Sa) a molto aperti (Sc e Sd)•Spirali barrate come le S, ma i bracci partono da una barra che attraversa il bulbo (SBa, SBb…) •Irregolari

Ci interessa la principale differenza tra galassie spirali ed ellittiche

Le ellittiche sono povere di gas interstellare, che si esaurisce quasi del tutto nella prima fase di formazione stellare: sono fatte di stelle di 1a generazione

Le spirali, caratterizzate da una rotazione più rapida, formano il disco su cui precipita il gas residuo. Lì prosegue la formazione stellare

NGC 4414

M87

Storia condensata di una galassia a spirale1. La nube protogalattica si contrae. Mantiene una simmetria più o meno

sferica. Si formano zone più dense. Una di esse è certamente il Centro.2. Per l’instabilità gravitazionale la contrazione si accentua.

• Nelle zone più dense si raggiunge alta densità e temperatura e si hanno i primi episodi di formazione stellare anche in gruppi numerosi (fino a centinaia di migliaia negli ammassi globulari)

• Il centro della nube è anche il più formidabile attrattore: intorno ad esso c’è un’ampia zona di formazione stellare (il Bulbo);

• proprio al centro si accumula una grande quantità di materia a formare il Nucleo con altissimi valori di densità e temperatura (con fenomeni violenti)

• La contrazione generale prosegue e aumenta la velocità di rotazione. La materia non stellare si “schiaccia” sul disco.

3. La galassia assume una forma schiacciata simile all’attuale, ma il disco, oggi insegna luminosa della Via Lattea, all’inizio è più oscuro. Le prime stelle, molte delle quali raggruppate negli ammassi, sono distribuite a simmetria più o meno sferica. La materia che cade nel Nucleo caldissimo e massiccio emette radiazione intensa e sta formando un buco nero.

4. Il materiale sul disco, per la gravità e per la dinamica della rotazione,si struttura in bracci di spirale. Qui si formano nuove stelle.

Le popolazioni stellari.• Il materiale originario è costituito da idrogeno ed elio. Le prime

stelle sono prive di elementi più pesanti: cominciano loro a fabbricarli.

• Tra le prime stelle se ne formano di molto massicce, giganti molto dense e calde. Oggi non le vediamo più perché esse bruciano in fretta ed esplodono arricchendo l’ambiente di elementi pesanti. Le “giganti blu” che vediamo oggi sono di formazione recente.

• Di quella Popolazione antica sopravvivono oggi le stelle che hanno vissuto più a lungo, cioè quelle di massa minore

• Grazie al prodotto della prima generazione di stelle (Popolazione II), il gas interstellare, che per lo più si addensa sul disco, contiene elementi pesanti. Le stelle di seconda e terza generazione (Popolazione I) che si formano con questo gas contengono già gli elementi pesanti e attorno ad esse possono formarsi pianeti solidi.

Questo è il Centro Galattico, visto attraverso le oscure nubi di gas e polvere che popolano il Disco (più vicino a noi). IL bagliore invece proviene dalle stelle del Bulbo. Luce giallastra perché viene da una popolazione antica, di cui sono sopravvissute solo le stelle più longeve, quelle di massa minore e di colore più arrossato. Le stelle blu di quella popolazione sono morte da tempo.

Distribuzione galattica delle popolazioni stellari I e II. Nella giovane Via Lattea la prima formazione stellare ha avuto luogo sin dal momento in cui il gas primordiale (idrogeno ed elio) ha subito una sufficiente contrazione per gravità. Questo è successo naturalmente nelle zone in cui la densità era maggiore, in diversi punti di accumulazione.

Il principale di questi punti era naturalmente il nucleo centrale. Lì si è formato il Bulbo, attorno al Centro Galattico attuale. Nei numerosi punti di accumulo secondari si sono formati i grandi Ammassi Globulari, e infine, un po’dappertutto, mentre la Grande Nube Protogalattica continuava a contrarsi, in tanti altri punti, sparsi a caso, dove la densitàdel gas diventava sufficiente, si sono formate le antiche stelle di Alone.

Quando si sono formate le prime stelle, la Galassia non aveva finito di contrarsi e non aveva ancora l’attuale forma appiattita. Per questo le stelle piùantiche (bulbo, ammassi globulari e alone) hanno una distribuzione pressoché sferica.

La contrazione si è arrestata solo quando, per conservare il momento angolare, la velocità di rotazione è aumentata al punto da generare una forza centrifuga in grado di trattenere la materia sul piano di rotazione, senza farla più cadere verso il centro. Lì i gas condensati hanno cominciato una nuova fase di formazione stellare, più lenta, che dura fino ad oggi.

Riassumendo. La nostra Via Lattea è quindi una Galassia a spirale Sb(forse SBb, barrata?), con più di 100 miliardi di stelle, con un diametro di più di 100.000 anni-luce. L’antica popolazione stellare (Pop II) compresi gli ammassi globulari, è sparsa a simmetria sferica (Alone). Il Disco, dallo spessore di 2000 anni-luce, è strutturato in bracci di spirale. Verso il centro il disco si ingrossa nel Bulbo, spesso 16000 anni-luce. Al centro c’èun buco nero con la massa di milioni di soli. ...e noi dove siamo?

Siamo certi di questa storia e di questa classificazione? C’è una recente ipotesi su una “POPOLAZIONE III”, ancora più antica della pop. II. Prima ancora che si formassero vere e proprie galassie, la condensazione del gas primordiale diede luogo a stelle gigantesche che funzionarono da punto di accumulo per la materia circostante. Sono state loro i nuclei delle galassie?

Certo è che per la loro enorme massa bruciarono rapidamente ed esplosero come enormi supernove, dando luogo al primo arricchimento di elementi pesanti. Poi non ci fu più materiale sufficiente a formare stelle così grandi. La popolazione III èscomparsa agli albori della Galassia

Ma … è solo un’ipotesi fantasiosa?

Come possiamo trovare traccia della loro passata esistenza? Forse in un eccesso di radiazione infrarossa che pervade la nostra galassia …

Diversamente dalle due immagini precedenti, queste descrivono dati reali. La figura in basso raffigura il fondo diffuso di luce infrarossa dopo che è stata sottratta la luce proveniente dalle stelle attuali (foto sopra). È una radiazione di origine ANTICA

Torniamo alla nostra posizione nella Via Lattea…

Se potessimo uscire fuori un attimo, vedremmo una cosa del genere.

Bulbo luminoso, bracci di spirale con stelle, nubi oscure e nubi luminose (zone di formazione stellare)

nubi oscure, principalmente idrogeno neutro molecolare (regioni H I, T = 100 K), nubi luminose di gas più caldo, princ. idrogeno ionizzato (regioni HII, T = 10000 K) dalla radiazione stellare: la ricombinazione dell’elettrone con il protone genera radiazione anche nella luce visibile

Come appare veramente la nostra Galassia ad un osservatore esterno? A questo potrà dare risposta una mappa tridimensionale più precisa. Per ora sappiamo che:Siamo in una galassia gigante a spirale, che presenta, come è suo dovere, un’intensa attività di formazione stellare un po’ su tutto il disco.Vicino a noi ad esempio c’è la grande Nebulosa di Orione

…che nella zona del Trapezio mostra intensa attività di formazione stellare.

Ricordiamo che la materia del Disco ègià arricchita di elementi pesanti grazie all’esplosione delle stelle giganti di prima generazione: le nuove stelle sono più “metalliche” di quelle antiche

Tutto l’insieme ruota attorno al Centro Galattico, con velocitàdifferenziata. Verso la periferia la velocità (per il Sole 250 Km/s) rallenta, ma meno di quanto ci si possa aspettare considerando il Centro come unico attrattore: c’è molta massa anche in periferia.Le stelle di Alone e gli Ammassi Globulari sono molto più lenti e con direzioni più caotiche

Riassumendo: 1. il Disco brulica di stelle di tutte le età, molte ancora in formazione. La

maggior parte sono stelle di 2-a e 3-a generazione, ricche di “metalli”2. Il Bulbo galattico e l’Alone sono la patria di stelle vecchie, specialmente

in quelle densissime “colonie” sparse nell’Alone: gli Ammassi Globulari, particolarmente interessanti perché rappresentano l’archeologia della Galassia, un po’ come gli Asteroidi e le Comete nel Sistema Solare.

M13

Che cosa possiamo vedere?

M 55 (popolazione II)

Seq.Princ.

Turn-off

Nell’ammasso globulare M55 la sequenza principale è troncata (punto di turn-off): non ci sono stelle blu, salvo le giganti “evolute”. In seq. princ. sono rimaste solo stelle più rosse del nostro Sole (molte nane rosse): concludiamo a) che l’ammasso è molto più antico del Sole, b) che non c’ènuova formazione stellare in M55, è tutta popolazione vecchia.

Sole e dintorni (prevalente pop. I)

Così, abbiamo un’idea della struttura della nostra Galassia. Ma solo qualitativamente.

Ci manca una mappa precisa, perché, se si possono misurare con precisione le posizioni delle stelle sulla volta apparente, è molto più difficile misurare le distanze radiali, indispensabili per costruire una mappa tridimensionale

Un primo passo è stato già compiuto con il satellite Hipparcos, che ha misurato le parallassi con la precisione di 2 millesimi di secondo d’arco. Questo significa che ha misurato distanze fino a 500 parsec (1500 anni-luce): abbiamo una mappa tridimensionale di una sfera del raggio di 1500 anni-luce col Sole al centro. Non è un gran che rispetto alla Galassia (100 mila anni-luce di diametro!) È un po’come Borgo Pio rispetto all’area racchiusa dal Raccordo.

Moto e posizioni delle Iadi

Ma Hipparcos ha un successore formidabile in preparazione: GAIA osserverà oltre un miliardo di stelle. Per centinaia di milioni misurerà la parallasse con precisione di pochi microarcosecondi. Mille volte meglio di Hipparcos, e ciò significa arrivare a fare la mappa tridimensionale della Galassia intera!

Lancio nel 2012, primi risultati nel 2016, catalogo nel 2020 A proposito: ci saranno pianeti abitabili nella Via Lattea? Dove cercarli?

sappiamo già dove non cercare …

Gli ammassi globulari sono popolati da stelle morte (buchi neri,stelle di neutroni, nane bianche), e da vecchie stelline povere di elementi pesanti

… o nel Bulbo centrale, anch’esso a prevalente popolazione II…

… per non parlare del Centro Galattico, luogo molto turbolento, con emissione di intensa radiazione ad alta energia attorno al buco nero

centrale, che ha la massa di milioni di soli

… bisogna cercare nel Disco Galattico (popolazione I prevalente)

Ma… Trovare sistemi con pianeti solidi non è sufficiente

In un sistema solare, un pianeta deve trovarsi a una certa distanza dalla propria stella per permettere la vita. La zona circumstellare abitabile (Ecosfera) è una sfera immaginaria circondante una stella: nello spazio delimitato da questa sfera, un pianeta terrestre potrebbe essere in grado di mantenere la presenza di acqua liquida. La presenza di questo elemento sarebbe fondamentale per la vita, a causa dell'importante ruolo di solvente svolto in molte reazioni biochimiche.

Come abbiamo già accennato, esiste una specie di “ecosfera galattica”. Pianeti abitabili possono trovarsi sul disco galattico, ma non nel Bulbo, nétroppo in periferia

Sì (è anche la zona del Sole)

No. Anche per le poche stelle di pop. I, Alta densità di stelle e incontri ravvicinati destabilizzano orbite planetarie. Frequenti esplosioni Supernovae

Difficile. Materia rarefatta, scarsità di elementi pesanti

Facciamo però una doverosa distinzione tra pianeti abitabili (s’intende, per la specie umana) e pianeti con possibilità di sviluppo di vita propria.

Anche se nelle nostre fantasie insistiamo a immaginare gli extraterrestri come esseri vagamente umanoidi (una testa, arti, endoscheletro, ecc.) non è affatto detto che la vita altrove non si sviluppi in forma molto diversa.

Sul nostro stesso pianeta dominavano innumerevoli specie di invertebrati, molto prima che apparissero animali con endoscheletro

I vertebrati terrestri, anche i più lontani da noi, hanno caratteristiche comuni, segno di una comune origine: una colonna vertebrale, quattro arti con cinque dita ciascuno (zoccoli e speroni sono variazioni evolutive di un unico prototipo), un cranio col cervello, due occhi, una bocca…

Le tante scelte operate dall’evoluzione sul nostro pianeta sono frutto della sua storia, estremamente complessa. Chi l’ha detto che l’evoluzione debba seguire la stessa strada su altri pianeti, anche di tipo terrestre? E inoltre: perché non potrebbe affermarsi una forma di vita molto diversa in condizioni lontane da quelle terrestri?

Sembrerebbe che identificare la possibilità della vita con l’abitabilitàper la specie umana sia un grossolano errore dovuto ad una visione antropocentrica. In realtà occorre fare alcune considerazioni.

1. Ovunque nell’universo, gli elementi chimici sono gli stessi. 2. Un organismo vivente dev’essere: a) complesso, b) mobile, flessibile La complessità e la flessibilità meccanica è garantita solo dalle grandi molecole organiche. Queste possono svilupparsi solo in determinate condizioni di temperatura e pressione. Queste condizioni sono, guarda caso, quelle in cui l’acqua è allo stato liquido. Sono quindi condizioni non troppo diverse, entro limiti abbastanza precisi, da quelle della Terra.

Semmai, potrebbero essere di più i pianeti resi abitabili (con opportuni interventi) che non quelli in cui la vita può svilupparsi spontaneamente. Per esempio, MARTE

L’equazione di Drake (anni ’60):N = R x F* x Np x Fh x Fv x Fc x L

dove:N = numero di civiltà extraterrestri nella GalassiaR = tasso medio di formazione di stelle nella Galassia (10 - 20 all’anno)F* = frazione di stelle con ecosfera abitabile (0,14)Np = numero di pianeti attorno a queste stelle (9)Fh = frazione di pianeti abitabili (1 su 9 = 0,11)Fv = frazione di pianeti abitabili aventi una forma di vita (minore di 1)Fc = frazione di pianeti aventi una civiltà intelligente (minore di 1)L = Longevità di una civiltà (1.000.000 di anni? )

Risultato = ?Troppa incertezza in ciascuno dei fattori!

Assumendo quindi che i due concetti, vita e abitabilità, siano simili. Che probabilità abbiamo di trovare segnali extraterrestri?

Che fare? CONTINUARE A CERCARE