La prevista fusione tra la Via Lattea e Andromeda e il destino futuro delle galassie nell'Universo in espansione
Tutte le galassie cambiano continuamente nel tempo cosmico: crescono attraverso fusioni, si evolvono lentamente sotto l'influenza di processi interni e talvolta inevitabilmente si avvicinano a collisioni con galassie vicine. La Via Lattea, in cui viviamo, non fa eccezione: si muove nell'ambiente del Gruppo Locale di Galassie (GL), e le osservazioni indicano che si sta dirigendo verso una collisione con il suo più grande satellite – la galassia di Andromeda (M31). Questa spettacolare fusione, chiamata anche “Milkomeda”, cambierà radicalmente il nostro spazio locale tra qualche miliardo di anni. Tuttavia, anche dopo questo evento, l'espansione accelerata dell'Universo determinerà una storia ancora più ampia di isolamento galattico e destino finale. In questo articolo discuteremo perché e come la Via Lattea si scontrerà con Andromeda, le possibili conseguenze della fusione per entrambe le galassie e il futuro a lungo termine delle galassie nel contesto dell'espansione crescente dell'Universo.
1. La prossima fusione: Via Lattea e Andromeda
1.1 Prove della traiettoria di collisione
Misurazioni precise del movimento di Andromeda rispetto alla Via Lattea mostrano che si trova in uno stato di spostamento verso il blu – si avvicina a noi a circa 110 km/s. I primi studi sulla velocità radiale indicavano una possibile futura collisione, ma la velocità trasversale di Andromeda è rimasta a lungo incerta. I dati del Telescopio Spaziale Hubble e successivi aggiornamenti (inclusi gli osservazioni di Gaia) hanno permesso di determinare il moto proprio di Andromeda, confermando che tra circa 4–5 miliardi di anni dovrebbe scontrarsi con la nostra Via Lattea [1,2].
1.2 Contesto del Gruppo Locale di Galassie
Andromeda (M31) e la Via Lattea sono le due galassie più grandi del Gruppo Locale di Galassie – un piccolo ammasso di galassie con un diametro di circa 3 milioni di anni luce. La Galassia del Triangolo (M33), che orbita vicino ad Andromeda, potrebbe anch'essa essere coinvolta nella futura collisione. Diverse galassie nane (ad esempio, le Nubi di Magellano, altre doppie) situate ai margini del GL possono anch'esse subire perturbazioni mareali o diventare satelliti del sistema in fusione.
1.3 Periodi e dinamica della collisione
Le simulazioni mostrano che il primo incontro tra Andromeda e la Via Lattea avverrà tra circa 4–5 miliardi di anni, forse con diversi passaggi ravvicinati prima della coalescenza finale tra ~6–7 miliardi di anni nel futuro. Durante questi avvicinamenti:
- Forze mareali allungheranno la struttura del disco, potendo formare code mareali o strutture ad anello.
- Formazione stellare si intensificherà temporaneamente nelle regioni dove si sovrappongono le concentrazioni di gas.
- “Alimentazione” del buco nero potrebbe intensificarsi nelle regioni nucleari se il gas fluisce verso il centro.
Alla fine, queste galassie probabilmente si fonderanno in una galassia ellittica o lenticolare massiccia chiamata “Milkomeda”, in cui si uniranno le stelle di entrambe le spirali [3].
2. Possibile risultato della fusione di “Milkomeda”
2.1 Resto ellittico o sferoide massiccio
Le fusioni principali, specialmente tra due spirali di massa simile, solitamente distruggono le strutture a disco e formano uno sferoide sostenuto dalla pressione, tipico delle galassie ellittiche. L'aspetto finale di “Milkomeda” probabilmente dipenderà da:
- Geometria delle orbite – se l'interazione è centralmente simmetrica, potrebbe formarsi una struttura ellittica tipica.
- Quantità residua di gas – se rimarranno gas non consumati o non espulsi, potrebbe formarsi una galassia lenticolare (S0) con una struttura di disco o anello debole.
- Alone di materia oscura – l'alone combinato della Via Lattea e di Andromeda creerà un ambiente gravitazionale che influenzerà la distribuzione delle stelle.
I modelli che studiano le spirali con grandi quantità di gas mostrano forti esplosioni di formazione stellare durante le fusioni, ma dopo 4–5 miliardi di anni le riserve di gas della Via Lattea saranno più modeste, quindi la formazione stellare durante la fusione potrebbe essere meno intensa rispetto all'Universo primordiale [4].
2.2 Interazione centrale del SMJS
Il buco nero della Via Lattea (Sgr A*) e il buco nero maggiore di Andromeda potrebbero fondersi nel tempo, sotto l'effetto dell'attrito dinamico. Negli ultimi istanti della fusione potrebbero essere emessi forti segnali gravitazionali (anche se su scala cosmologica meno intensi rispetto ad altri sistemi più massicci o distanti). I buchi neri fusi rimarranno al centro della nuova galassia ellittica, forse emettendo radiazioni come AGN per un certo periodo, se ci saranno abbastanza gas.
2.3 Il destino del sistema solare
Durante la fusione, il Sole avrà circa la stessa età di adesso – l'Universo, avvicinandosi alla fine della fase di combustione dell'idrogeno tardiva. La luminosità solare aumenterà, rendendo la Terra inabitabile, nonostante la collisione galattica. Dinamicamente, il sistema solare probabilmente continuerà a orbitare nel centro della nuova galassia (o ai margini dell'alone), ma è poco probabile che venga espulso o assorbito dal buco nero [5].
3. Altre galassie del Gruppo Locale e l'evoluzione dei satelliti nani
3.1 Galassia del Triangolo (M33)
M33, la terza galassia a spirale più grande del VG, orbita intorno ad Andromeda e potrebbe essere coinvolta nel processo di Milkomeda. A seconda dell'orbita, M33 potrebbe fondersi più tardi con il sistema fuso Andromeda–Via Lattea o essere distrutta dalle forze mareali. Questa galassia contiene una quantità significativa di gas, quindi la sua fusione finale potrebbe causare un aumento successivo della formazione stellare nel sistema complessivo.
3.2 Interazioni dei satelliti nani
Il VG possiede decine di galassie nane (ad esempio, le Nubi di Magellano, la nana Freccia, ecc.). Alcune di esse potrebbero essere distrutte o assorbite da Milkomeda durante le prossime fusioni. Nel corso di miliardi di anni numerose piccole fusioni potrebbero aumentare ulteriormente l'alone stellare, addensando il sistema finale. Così l'interazione gerarchica continua anche dopo la coalescenza principale delle spirali.
4. Contesto dell'espansione futura dell'Universo
4.1 Accelerazione dell'espansione e isolamento galattico
Dopo la formazione di Milkomeda, la rapida espansione dell'Universo, guidata dall'energia oscura, significa che le galassie non legate gravitazionalmente si allontanano e alla fine non sarà più possibile stabilire un collegamento causale con esse. Dopo decine di miliardi di anni solo il Gruppo Locale (o il suo residuo) rimarrà gravitazionalmente legato, mentre tutte le strutture di ammassi più distanti si allontaneranno più velocemente della luce che può raggiungerle. Infine, Milkomeda e i suoi satelliti diventeranno un "Universo insulare", separato dagli altri ammassi [6].
4.2 Esaurimento della formazione stellare
Con il passare del tempo cosmico, le risorse di gas diminuiranno. Le fusioni e il feedback possono riscaldare o rimuovere il gas residuo, mentre la quantità di nuovo gas in arrivo dai filamenti cosmici si riduce nelle epoche tardive. Dopo centinaia di miliardi di anni la formazione stellare quasi si fermerà, lasciando principalmente vecchie stelle rosse. La galassia ellittica finale si spegnerà, dominata solo da stelle rosse pallide, nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri.
4.3 Dominanza di buchi neri e resti
Dopo trilioni di anni, molte stelle, influenzate dalle interazioni gravitazionali, potrebbero essere espulse dall'alone di Milkomeda. Nel frattempo, la SMJS rimarrà nel nucleo galattico. Infine, i buchi neri potrebbero essere gli unici importanti accumuli di massa in questo desolato sfondo cosmico. La radiazione di Hawking potrebbe evaporare anche i buchi neri in tempi incredibilmente lunghi, ma ciò si colloca ben oltre le epoche astrofisiche ordinarie [9, 10].
5. Approfondimenti da osservazioni e analisi teoriche
5.1 Osservazione del moto di Andromeda
Il telescopio spaziale Hubble ha misurato dettagliatamente le velocità di Andromeda, confermando la traiettoria di collisione con una piccola componente laterale. Ulteriori dati da Gaia affinano ancora di più le orbite di Andromeda e M33, permettendo una migliore determinazione della geometria dell'avvicinamento [7]. Le future missioni astrometriche spaziali potranno determinare con maggiore precisione il tempo del primo impatto.
5.2 Simulazioni N-corpi del Gruppo Locale
I modelli sviluppati al NASA Goddard Space Flight Center e altrove indicano che tra circa 4–5 miliardi di anni inizierà il primo scontro, dopo il quale M31 e la Via Lattea potrebbero passare più volte vicini. Alla fine si fonderanno in alcune centinaia di milioni di anni, formando una gigantesca galassia ellittica. Le simulazioni esaminano anche il coinvolgimento di M33, le code mareali residue e le esplosioni di formazione stellare nucleare [8].
5.3 Il destino dei gruppi lontani oltre il Gruppo Locale
A causa dell'accelerazione cosmica, i gruppi più lontani si allontanano da noi – col tempo supereranno i nostri limiti di visibilità. Le osservazioni di supernove ad alto redshift mostrano che l'energia oscura domina l'espansione dell'Universo, quindi su larga scala la rete galattica si frammenterà in "isole" isolate. Pertanto, anche se a livello locale le galassie si fonderanno, la struttura cosmica più ampia si allontana e si indebolisce nel nostro campo visivo.
6. Il lontano futuro cosmico
6.1 L'era "degenerativa" dell'Universo
Dopo l'esaurimento della formazione stellare, le galassie (o i sistemi fusi) passano gradualmente all'"era degenerativa", dove la principale fonte di massa della popolazione sono i resti stellari (nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri). A volte collisioni casuali tra nane brune o detriti stellari possono temporaneamente riaccendere la formazione stellare, ma in media l'Universo è molto più spento.
6.2 Il dominio finale dei buchi neri
Dopo centinaia di trilioni di anni, le interazioni gravitazionali potrebbero espellere molte stelle dall'alone galattico, mentre i buchi neri più grandi rimarranno nei centri. Alla fine, potrebbero essere l'unico serbatoio di massa significativo nello spazio solitario. La radiazione di Hawking potrebbe, in tempi inconcepibilmente lunghi, evaporare anche questi buchi neri, sebbene ciò superi di gran lunga le epoche astrofisiche convenzionali [9, 10].
6.3 L'eredità del Gruppo Locale
Durante l'"Era Oscura", Milkomeda sarà probabilmente l'unica struttura ellittica massiccia che conterrà i resti stellari della Via Lattea, Andromeda, M33 e delle galassie nane. Se galassie o ammassi più lontani si troveranno oltre il nostro orizzonte cosmologico, localmente rimarrà questa isola fusa, che lentamente sprofonderà nell'oscurità cosmica.
7. Conclusioni
La Via Lattea e Andromeda inevitabilmente si avvicinano verso la fusione delle galassie – un fenomeno che causerà un enorme cambiamento nel centro del Gruppo Locale. Tra circa 4–5 miliardi di anni, queste due galassie a spirale inizieranno a interagire con onde di distorsioni mareali, esplosioni di formazione stellare e 'alimentazione' di buchi neri, fino a fondersi infine in una massiccia ellittica – la 'Milkomeda'. Galassie più piccole, come M33, potrebbero essere coinvolte in questa fusione, mentre i satelliti nani saranno distrutti o integrati dalle forze mareali.
Guardando ancora più avanti, l'espansione dell'Universo separerà questa nuova struttura dalle altre, isolandola nella solitudine, dove la formazione stellare si esaurirà col tempo. Dopo decine o centinaia di miliardi di anni rimarranno solo stelle invecchianti, finché alla fine domineranno solo buchi neri e resti stellari. Tuttavia, per i prossimi pochi miliardi di anni il nostro angolo cosmico rimarrà abbastanza vitale, e la prossima collisione con Andromeda sarà l'ultimo grande evento di aggregazione galattica nel Gruppo Locale.
Collegamenti e letture più ampie
- van der Marel, R. P., et al. (2012). “Il vettore di velocità di M31. III. Evoluzione orbitale futura della Via Lattea–M31–M33, fusione e destino del Sole.” The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). “Velocità trasversale di M31 e massa del Gruppo Locale dalla cinematica dei satelliti.” The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). “La collisione tra la Via Lattea e Andromeda.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). “Un modello unificato, guidato da fusioni, per l'origine di starburst, quasar e sfere.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). “Il nostro Sole. III. Presente e futuro.” The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). “Evidenze osservative da supernove per un universo in accelerazione e una costante cosmologica.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). “Gaia Data Release 2. Diagrammi osservativi di Hertzsprung–Russell.” Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). “Movimenti propri della terza epoca delle Nubi di Magellano. III. Storia cinematica delle Nubi di Magellano e destino dello Stream di Magellano.” The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). “Un universo morente: il destino a lungo termine e l'evoluzione degli oggetti astrofisici.” Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). “Creazione di particelle da buchi neri.” Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.