Moti propri su grande scala

L'idea di un universo in espansione rappresentò negli anni '30 un mutamento fondamentale nel modo di concepire l'universo, un cambio di paradigma per molti versi paragonabile alla rivoluzione copernicana. In modo analogo a quanto avvenne per l'ipotesi geocentrica, infatti, anche l'idea di un universo stazionario rimase fortemente radicata nella comunità scintifica fino ad un profondo cambio di prospettiva.

Ma la correlazione tra red-shift e distanza, che rappresenta la base osservativa su cui si fonda l'ipotesi di un universo in espansione, non è perfetta, soprattutto per le galassie più vicine. Se osserviamo un grafico V vs D (Velocità contro Distanza), troviamo che le galassie non si allineano perfettamente, ma presentano una certa dispersione intorno alla retta di regressione. Naturalmente ciò può essere una conseguenza dell'oggettiva difficoltà di misurare con precisione le distanze, ma può anche essere dovuto all'effettiva diversità di velocità delle galassie rispetto al valore atteso sulla base della semplice recessione cosmica, a causa del sovrapporsi di moti propri. In altre parole le galassie potrebbero non essere ferme rispetto allo spazio-tempo in espansione. L'eventuale presenza di rilevanti moti propri nelle galassie e nelle strutture di ordine superiore (ammassi e superammassi) sarebbe verosimilmente imputabile agli effetti gravitazionali  esercitati da grandi addensamenti di materia e permetterebbe quindi di valutare la distribuzione e la densità di materia su grande scala.

Si riteneva comunque che dovesse trattarsi di moti caratterizzati da modeste velocità se paragonate alla velocità di recessione. A.R. Sandage argomentava a questo proposito che, qualora moti propri con velocità di qualche centinaio di km/s in direzioni casuali fossero stati comuni, molte galassie vicine sarebbero affette da blu-shift.

Il sistema di riferimento cosmico: la radiazione di fondo

Lo studio delle velocità peculiari su grande scala iniziò solo negli anni '70. Uno dei problemi fondamentali da risolvere era quello di individuare un opportuno sistema di riferimento che potesse essere considerato fermo rispetto allo spazio tempo, al quale riferire eventuali moti propri. Nel 1975 Vera C. Rubin, Norbert Thonnard e Kent Ford trovarono che la nostra galassia è animata da un moto proprio di circa 500 km/s, misurato rispetto ad un sistema di riferimento costituito da galassie lontane.

La Rubin aveva individuato sull'intera sfera celeste un campione di galassie a spirale particolari, di cui si riteneva nota e costante la luminosità intrinseca. Selezionando tra queste solo le galassie che presentavano la stessa luminosità apparente, si otteneva un insieme di oggetti i quali dovevano evidentemente trovarsi tutti alla medesima distanza. (circa un centinaio di megaparsec). A questo punto una qualsiasi differenza nei red-shift tra galassie situate in posizione opposta sulla sfera celeste poteva essere interpretato come conseguenza di un movimento reale della nostra galassia in quella direzione.

Naturalmente il metodo utilizzato dalla Rubin per costruire un sistema di riferimento cosmico rispetto al quale misurare un eventuale moto proprio della nostra galassia è molto delicato e si presta ad errori  che possono falsare pesantemente il risultato. Ma nel 1977 venne inaspettatamente trovato un sistema di riferimento molto più affidabile: la radiazione cosmica di fondo.

Studiando la distribuzione del fondo a 3 K venne infatti rilevata una lieve disomogeneità, detta anisotropia di dipolo. In altre parole si trovò che il fondo a 3 K risulta più caldo di circa 3/1000 di grado nella direzione delle costellazioni  Leone/Idra (blu-shift) e più freddo di una egual valore in direzione opposta (red-shift). Ciò può essere interpretato come un movimento assoluto della Terra rispetto allo spazio (il fondo a 3K fungerebbe in questo caso come un riferimento assoluto, una specie di neo-etere) verso un punto approssimativamente situato tra la costellazione del Leone e quella dell'Idra (a = 11^h; d = -10°) con velocità di circa 330 km/s.

La variazione di temperatura DT = 0,003 °K, rapportata alla temperatura di 2,728 °K, fornisce una variazione relativa pari a DT/T = 0,0011. Tale variazione è, in valore assoluto, identica alla variazione relativa delle lunghezze d'onda misurate Dl l = z (ricordiamo che per la legge di Wien la lunghezza d'onda di massima emissione di un corpo nero è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta). La velocità del nostro sole rispetto alla radiazione di fondo risulta pertanto v = zc = 330 km/s.

Se teniamo però conto del moto della Terra intorno al Sole alla velocità di circa 30 km/s, possiamo facilmente calcolare la velocità dell'intero sistema solare rispetto alla radiazione di fondo. In modo analogo tenendo conto del movimento del Sole intorno al centro galattico (250 km/s) e della Galassia rispetto al centro di massa del Gruppo Locale (40 km/s verso la galassia di Andromeda), è possibile dedurre la velocità di quest'ultimo rispetto alla radiazione di fondo che risulta essere di circa 630 km/s (sempre in direzione Leone/Idra.

il Grande Attrattore

Una volta evidenziata l'esistenza di un movimento assoluto del Gruppo Locale attraverso lo spazio, il passo successivo era quello di individuare la causa di tale moto. Nel 1982 Aaronson, Huchra, Mould, Schechter e Tully, cercarono di verificare se fosse possibile giustificare almeno una parte del moto del Gruppo Locale con l'attrazione gravitazionale prodotta su di esso dall'ammasso di Galassie in Vergine. L'ammasso della Vergine è la componente maggiore, più vicina (circa 10 h^-1 Mpc) e più massiccia del Superammasso Locale (superammasso al quale appartiene anche il Gruppo Locale), del quale è posta in posizione centrale.

In pratica si misura la distanza delle galassie nella direzione del centro del Superammasso Locale in modo indipendente dal loro redshift (non utilizzando cioè la relazione di Hubble, ma metodi alternativi, come la relazione di Tully-Fisher). Sulla base delle distanze così trovate si calcola la velocità di recessione che tali galassie dovrebbero presentare applicando la relazione di Hubble. Tale velocità viene infine confrontata con la velocità misurata in funzione dei loro redshifts (v = zc), naturalmente depurata del moto proprio del Gruppo Locale (o meglio della sua componente nella direzione del centro del Superammasso Locale). Sottraendo i due valori così trovati, il termine residuo rappresenta il moto proprio della galassia nella direzione del centro del Superammasso Locale.

Aaronson e collaboratori trovarono dunque che l'eccesso di massa presente al centro del Superammasso Locale sta frenando l'espansione cosmica. Le galassie poste tra noi ed il centro del Superammasso Locale presentano infatti una velocità di espansione maggiore di quella teorica, mentre quelle più distanti presentano una velocità di recessione inferiore a quella teorica. Le variazioni rispetto alla velocità di espansione teorica (che si avrebbe se le galassie fossero ferme rispetto allo spazio-tempo) si producono per il sovrapporsi di un moto proprio che le galassie presentano in direzione del centro del Superammasso Locale. Si ritiene che a tale moto di caduta verso il centro del Superammasso Locale partecipi anche il Gruppo Locale ad una velocità di circa 220 km/s. Tale moto d'altra parte avviene in una direzione che forma un angolo di circa 45° rispetto alla direzione del moto assoluto verso il punto in Idra/Leone.

Poiché dunque tale componente è in grado di giustificare solo in parte il moto proprio trovato per il Gruppo Locale è necessario ipotizzare che l'intero Superammasso Locale si stia muovendo di moto proprio, attratto da una qualche altra concentrazione di massa.

Ora, se si sottrae vettorialmente la velocità di 220 km/s in direzione del centro del Superammasso Locale alla velocità assolutà di 630 km/s del Gruppo Locale rispetto alla radiazione di fondo, si ottiene un vettore di circa 500 km/s che punta approssimativamente in direzione dell'ammasso in Idra/Centauro, il secondo per distanza dalla nostra galassia (circa 20 h^-1 Mpc). Era pertanto naturale ipotizzare che tale ammasso fosse responsabile della seconda componente di velocità, necessaria per giustificare completamente il moto assoluto in direzione Idra/Leone.  L'unico problema era che per generare le velocità calcolate, l'ammasso in Idra/Centauro doveva possedere una massa circa 10 volte superiore a quella del SuperammassoLocale e comunque molto maggiore di quella desumibile dalla sua luminosità.

Tale ipotesi fu comunque sottoposta a verifica nel 1986 da David Burstein, Roger Davies, Sandra M.Faber, Donald Lynden-Bell, Roberto Terlevich, Gary A.Wegner e Alan Dressler, scherzosamente soprannominati dai colleghi "i sette samurai".  Dopo aver applicato alle galassie poste in direzione Idra/Centauro metodi analoghi a quelli utilizzati da Aaronson ed aver determinato quanta parte del loro red-shift era dovuto all'espansione cosmica e quanta ai moti propri, i sette astronomi constatarono che in realtà anche l'ammasso in Idra/Centauro si stava muovendo nella stessa direzione del Superammasso Locale con una velocità addirittura superiore. Nella stessa direzione si muove anche il Superammasso in Pavone, che si trova alla stessa distanza da noi dell'ammasso in Idra/Centauro, ma spostato di circa 50° sulla sfera celeste. Il moto del Superammasso Locale è quindi condiviso da altri superammassi che sembrano attirati da un'enorme concentrazione di massa, battezzata "Grande Attrattore", che sembra situata oltre l'ammasso in Idra/Centauro in una direzione compresa tra la costellazione del Centauro e quella della Croce del Sud., verso un punto della sfera celeste la cui osservazione è resa ardua dalla presenza dei gas e delle polveri del disco galattico. Nonostante il Grande Attrattore non sia ancora stato direttamente osservato, si ritiene che esso sia situato ad una distanza di circa 40 h^-1 Mpc. In corrispondenza a questa distanza infatti i moti propri delle galassie sembrano annullarsi, mentre per distanze superiori si presentano in senso opposto. Se costruiamo un diagramma di Hubble in direzione del grande attrattore troviamo che le galassie più vicine presentano sistematicamente Velocità superiori a quelle attese in relazione alla distanza e sulla semplice base del moto di espansione cosmica, mentre le galassie più distanti presentano velocità sistematicamente inferiori a quella di recessione. Il punto di flesso si presenta per una velocità di 4000 km/s, in corrispondenza della quale i moti propri sembrano annullarsi. A tale velocità corrisponde una distanza di 40 h^-1 Mpc. Per produrre una simile attrazione gravitazionale ad una tale distanza sarebbe necessaria una massa circa 20 volte superiore a quella del Superammasso Locale, dell'ordine di 10¹⁶ -10¹⁷ masse solari. L'esistenza di tale enorme concentrazione di materia rimane pertanto un punto sul quale non vi è ancora accordo unanime. Tuttavia la coerenza dei moti propri di un numero enorme di galassie che ci circondano, rimane un fatto sorprendente e per larga parte assolutamente imprevedibile. E paradossalmente dunque il fatto di non osservare galassie affette da blu-shift, non rappresenta, come riteneva Sandage, una conferma della rarità e della modestia dei moti propri su larga scala, ma esattamente il contrario.

Per calcolare la velocità dell'ammasso della Vergine è necessario comporre vettorialmente le velocità. Essendo ed è facile vedere che ed in definitiva