1. Popolazioni stellari e possibilità di pianeti abitabili
Massimo Badiali
Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica – Roma
07-02-11
Ci sono diversi tipi di stelle…

2. 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 è
la storia dell’universo dal Big Bang a oggi (e oltre), trattata a parte. Per il
momento ci basta sapere che esiste una CLASSIFICAZIONE delle
galassie

3. 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

4. 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
M87
Le spirali, caratterizzate da
una rotazione più rapida,
formano il disco su cui precipita
il gas residuo. Lì prosegue la
formazione stellare
NGC 4414

5. Storia condensata di una galassia a spirale
1. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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 densità
del gas diventava sufficiente,
si sono formate le antiche
stelle di Alone.

9. 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 più
antiche (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.

10. 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’è
un buco nero con la massa di milioni di soli. ...e noi dove siamo?

11. 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?

12. 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 è
scomparsa agli albori della Galassia
Ma … è solo
un’ipotesi
fantasiosa?

13. 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

14. Torniamo alla nostra posizione nella Via Lattea…

15. 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)

16. 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

17. 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

18. …che nella zona del
Trapezio mostra
intensa attività di
formazione
stellare.
Ricordiamo che la
materia del Disco è
già arricchita di
elementi pesanti
grazie
all’esplosione delle
stelle giganti di
prima generazione:
le nuove stelle sono
più “metalliche” di
quelle antiche

19. Tutto l’insieme ruota attorno al Centro Galattico, con velocità
differenziata. 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

20. 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

21. Nell’ammasso globulare M55 la sequenza principale è troncata (punto di
Che cosa possiamo vedere? blu, salvo le giganti “evolute”. In seq. princ.
turn-off): non ci sono stelle
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’è
nuova formazione stellare in M55, è tutta popolazione vecchia.
M 55 (popolazione II)
Sole e dintorni (prevalente pop. I)
Turn
-off
Seq.
Princ.

22. 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 Moto e posizioni delle Iadi
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.

23. 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?

24. 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

25. … 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

26. … bisogna cercare nel Disco Galattico (popolazione I prevalente)
Ma… Trovare sistemi con pianeti solidi non è sufficiente

27. 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.

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

29. 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

30. 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?

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

32. 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

33. Assumendo quindi che i due concetti, vita e abitabilità, siano simili.
Che probabilità abbiamo di trovare segnali extraterrestri?
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 Galassia
R = 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!
Che fare? CONTINUARE A CERCARE