L'AMMASSO DI GALASSIE DELLA CHIOMA

• Gli studenti apprenderanno i fondamenti della classificazione delle galassie usando reali dati astronomici del telescopio spaziale Hubble. La classificazione è una pratica scientifica importante in molti diversi campi scientifici; se si inseriscono vari oggetti in un numero più piccolo di categorie, diventa più facile vedere quali caratteristiche sono condivise da molti oggetti e studiare le proprietà di questi oggetti rappresentativi senza dovere analizzare ogni oggetto singolarmente.

• Gli studenti scopriranno un “effetto morfologia-densità” e faranno ipotesi sulle cause di questo effetto.

• Gli studenti potranno classificare differenti tipi di galassie basandosi su immagini astronomiche.

• Gli studenti spiegheranno l'importanza di classificare gli oggetti.

• Gli studenti proporranno idee per spiegare perché le galassie possono avere forme diverse.

• Gli studenti si eserciteranno a porre domande e a progettare ricerche.

• Gli studenti discuteranno idee sul fatto che ci sono ambienti fisicamente differenti nell'universo in cui vivono le galassie, che le galassie interagiscono e che c'è una relazione tra ambiente e morfologia delle galassie (denominato “effetto morfologia-densità”).

• Gli studenti faranno ipotesi sulla causa dell'effetto morfologia-densità.

L'insegnante potrà discutere le domande con gli studenti, incoraggiandoli a condividere i valori calcolati dei differenti tipi di galassie trovati sia nel campo sia nell'ammasso e anche le loro risposte alla domanda finale sull'effetto morfologia-densità.

Si può verificare quanto compreso dagli studenti tramite la discussione, come descritto durante lo svolgimento dell’attività, e tramite la raccolta di testi scritti da valutare. Poiché queste attività verificano quanto compreso dagli studenti, non sono necessari altri tipi di valutazione. Di seguito è descritto il sistema di valutazione suggerito.

Valutazione suggerita

• Tabella 1: 5 punti - gli studenti forniscono spiegazioni chiare dello schema di classificazione creato.

• Tabella 2: 2 punti per ogni risposta corretta - Risposte (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11).

• Tabelle 3, 4 e 5 (conteggio delle galassie): non valutato - basato sull'interpretazione soggettiva dello studente.

• Tabella 6 e Calcoli: 30 punti - Valutato per la completezza, non per l'accuratezza. Gli studenti otterranno numeri differenti, ma i calcoli dovranno essere corretti. Le risposte in termini di percentuali si collocano di solito nei seguenti intervalli: (Ammasso: E 50%, L 30%, S 20%) (Campo: E 20%, L 10%, S 70%). Gli studenti di solito trovano percentuali più alte di spirali nel campo.

Domanda di ipotesi: 30 punti - Le ipotesi degli studenti dovrebbero menzionare gli effetti di interazione e la cosiddetta “ram-pressure stripping” (rimozione a causa della pressione d'ariete) che trasformano nell’ammasso le galassie a spirali ricche di gas in galassie ellittiche e lenticolari povere di gas.

• Immagine di 40 galassie.
• Schede di galassie dalla A alla D.

Classificazione delle galassie

Gli astronomi classificano le galassie secondo il loro aspetto in tre classi principali: galassie ellittiche, a spirale e irregolari. Edwin Hubble fu il primo a proporre questo schema di classificazione. Hubble originariamente pensava che la sequenza 'a diapason' rappresentasse l'evoluzione delle galassie. Questo concetto si rivelò sbagliato, ma gli astronomi ancora usano queste categorie per descrivere le galassie.

I principali tipi di galassie

Ellittiche(E), Lenticolari (S0), Lenticolari barrate (SB0), Spirali (S), Spirali barrate (SB) e Irregolari (IR). Si possono trovare più dettagli nella sezione descrittiva delle attività.

Un ulteriore tipo di galassie

Galassie interagenti: si tratta di due o più galassie che sono così vicine le une alle altre da potere modificare la propria forma.

Dati forniti in questa attività

I dati usati in questa attività sono i dati dell'ammasso di galassie della Chioma ottenuti dal telescopio spaziale Hubble. Sono stati raccolti nel 2006 usando lo strumento Advanced Camera for Surveys (ACS) installato sul telescopio spaziale Hubble.

Ambienti di galassie

Le galassie sono presenti in tutto l'universo e vivono in vari ambienti. Le galassie possono trovarsi in ammassi, gruppi oppure essere isolate.

Gruppi

A volte le galassie sono riunite in numeri più piccoli chiamati gruppi formati solo da una manciata di galassie. Il Gruppo Locale contiene la nostra Via Lattea oltre alle galassie a noi più vicine: le Nubi di Magellano, la galassia di Andromeda e alcune decine di galassie più piccole.

Il campo

Altre volte le galassie possono essere isolate e essere lontane le une dalle altre nel campo. Queste sono chiamate galassie del campo.

Ammassi

Un ammasso di galassie è una grande struttura nell'universo che consiste di centinaia di migliaia di galassie gravitazionalmente legate tra di loro. Tutte le galassie di un ammasso sono molto ravvicinate come nell'ammasso della Chioma. Gli ammassi sono alcune delle strutture più grandi e dense dell'Universo. Ammassi, gruppi e alcune galassie isolate possono fare parte di strutture ancora più grandi dette superammassi; sulle scale più grandi dell’universo visibile i superammassi sono raccolti in filamenti e muri attorno a vasti vuoti. Questa struttura è spesso detta “rete cosmica”.

Gli studenti prima analizzeranno le immagini di 40 galassie per familiarizzarsi con l'aspetto e le forme differenti delle galassie. Proporranno il loro schema di classificazione e poi esploreranno come gli astronomi oggi classificano le galassie in quattro gruppi principali.

Fase 1

Spiegare agli studenti che l’immagine precedente mostra un mosaico di 40 galassie. Queste immagini sono state prese con il telescopio spaziale Hubble e mostrano le differenti forme che le galassie possono avere. Quando l'astronomo Edwin Hubble iniziò a studiare i vari tipi di galassie negli anni 20 del secolo scorso, ideò un modo per organizzarle e classificarle. Creò uno schema di classificazione nel quale raggruppò galassie simili.

Il compito degli studenti è fare la stessa cosa. Nella tabella seguente, inventano le proprie tipologie di galassie e ne forniscono una descrizione assieme a tre esempi per ognuna di esse.

Completano quindi la tabella nel foglio di lavoro.

Fase 2

Discussione:

Chiedere agli studenti di condividere i loro schemi di classificazione. Punti di discussione suggeriti:

• Quali sono le somiglianze significative tra gli schemi?

• E le differenze significative?

• Argomenti su come classificare galassie particolari?

• Perché gli studenti hanno deciso di organizzare i propri schemi in quel modo?

• Quali altri tipi di schemi completamenti diversi si potrebbero ideare, avendo, per esempio, dati diversi sulle stesse galassie?

• Perché è importante (oppure no) classificare gli oggetti che scopriamo?

• Gli schemi di classificazione potrebbero essere cambiati nel tempo?

Questi punti di discussione possono essere ripresi successivamente durante l'attività. (Probabilmente almeno tre studenti proporranno schemi di classificazione basati sulla forma; in caso contrario, dopo la discussione sui loro schemi, incoraggiarli a ideare altri schemi basati sulla forma.)

Incoraggiare gli studenti a fare osservazioni e a porre domande basate sulle loro analisi delle immagini, discuterle nei gruppi e prenderne nota. L'obiettivo è fare loro chiedere: “Perché galassie differenti hanno forme differenti?” Sollecitare quindi gli studenti a discutere e a trascrivere domande e idee su perché le galassie potrebbero avere forme differenti, per esempio:

• Le galassie nascono con forme differenti oppure tutte con le stesse forme e sviluppano successivamente forme diverse?

• Che storie diverse potrebbero avere le galassie (in particolare che cosa potrebbe determinare la loro forma)? (Incoraggiare gli studenti a riflettere sull'idea che le galassie interagiscono tra di loro).

• L'evoluzione della forma di una galassia potrebbe essere dovuta a processi interni o a interventi esterni? (Per esempio, qualcosa che succede a tutte le galassie nel tempo, non importa cosa, o qualcosa causato da un'interazione con un'altra galassia).

• La forma potrebbe essere relazionata alla dimensione della galassia quando si forma?

• Le forme che osserviamo sono transitorie o stabili?

Mentre gli studenti riflettono su queste idee, incoraggiarli a discutere su come potrebbero rispondere a queste domande. (Forse alcuni studenti penseranno che l'interazione con altre galassie potrebbe essere importante e che osservare regioni dove ci sono molte galassie, e dove quindi sono possibili molte interazioni, potrebbe essere un modo per analizzare questo fenomeno.

Sia che propongano o no questa idea, tale discussione preliminare li aiuterà a riflettere nel prosieguo dell'attività.)

Fase 3

Spiegare agli studenti che gli astronomi hanno sviluppato i loro schemi di classificazione delle galassie basandosi sulla forma (spesso detto “morfologia”). Le definizioni dei vari tipi di galassie usate dagli astronomi sono elencate di seguito. Usando queste definizioni, gli studenti inseriscono le 12 galassie mostrate nella figura precedente nelle categorie comunemente usate. Completano, quindi, la tabella nel foglio di lavoro.

Nota: Le galassie più piccole sono spesso dette galassie nane (la numero 5 e 7 sono galassie nane). Queste contengono solo pochi miliardi di stelle, un piccolo numero rispetto ai 200 miliardi della Via Lattea. Le ellittiche più grandi contengono parecchi trilioni di stelle.

Discussione: Cosa emerge dal confronto tra lo schema di classificazione usato dagli astronomi e gli schemi di classificazione ideati dagli studenti?

Fase 4

Dire agli studenti di usare l'immagine seguente e le linee guide come aiuto per identificare e contare le galassie.

Linee guida:

• I) Ellittiche o lenticolare: può essere difficile distinguerle. Se si sa che è o E o S0 / SB0, va bene indovinare tra queste due.

• I) Spirali o spirali barrate: può essere difficile distinguerle. Se si sa che è o S o SB, va indovinare tra queste due.

• III) Irregolari.

• IV) Incerte: galassie viste lateralmente potrebbero essere S0, SB0, S, SB o IR. Ci sono troppe possibilità, pertanto si escludono.

• Stella) tutti gli oggetti con forme “a croce” sono stelle in primo piano della Via Lattea, pertanto si escludono.

• ?) Si escludono oggetti piccoli e deboli perché sono troppo difficili da classificare.

Fase 5

Scaricare le “Schede di galassie” indicate con le lettere A-D per contare i tipi di galassie in ogni immagine. Contare il numero di galassie per ogni tipo morfologico e scrivere il numero nella cella corretta della tabella.

Fase 6

Spiegare agli studenti che le galassie si trovano nell'intero universo, da quelle a noi più vicine, le Nubi di Magellano e Andromeda, fino all'universo visibile lontano 13 miliardi di anni luce. Le galassie vivono in diversi ambienti. A volte grandi quantità di galassie sono racchiuse in ammassi, come nell'ammasso della Chioma; a volte si raccolgono in numeri più piccoli in formazioni dette gruppi, come il Gruppo Locale che contiene la Via Lattea e a volte sono isolate le une dalle altre nel campo. La tabella seguente mostra le differenti proprietà dei diversi tipi di ambienti popolati da galassie.

Nella fase precedente, le schede A e C delle galassie mostrano il denso nucleo centrale dell'ammasso della Chioma e le immagini B e D mostrano le galassie disperse nel campo. (NB Gli astronomi spesso usano il termine “campo” per indicare l'area al di fuori degli ammassi delle galassie). Gli studenti completano le tabelle usando i numeri trascritti nella tabella durante la fase 5 dell'attività.

Le tabelle sono nel foglio di lavoro.

Fase 7

Chiedere agli studenti di riflettere sulle seguenti domande e di discutere in gruppo: Quale andamento notate dai dati che avete precedentemente analizzato? Notate qualcosa rispetto alla posizione delle diverse galassie? (Domanda extra: Avete visto un maggior numero di galassie a spirale all’interno di un ammasso o nel campo? E per quanto riguarda le galassie ellittiche?). Gli studenti dovrebbero notare che le galassie a spirale sono più comuni nel campo mentre quelle ellittiche sono più comuni all’interno degli ammassi. Domanda supplementare: È sorprendente? L'obiettivo qui è fare chiedere agli studenti: “Perché il numero di galassie a spirale (o ellittiche) dipende dalla posizione della galassia?”

Chiedere agli studenti di discutere e annotare idee che spieghino perché le tipologie di galassie sembrano essere influenzate dalla posizione della galassia. Chiedere agli studenti come potrebbero approfondire le loro idee: Quali supposizioni potrebbero nascere dalle loro idee? Quali osservazioni o informazioni aggiuntive vorrebbero avere? Come potrebbero quantificare questo andamento usando i dati?

Fase 8

Le fasi seguenti spiegano come gli studenti possono analizzare questo andamento, prima quantificandolo e poi ottenendo ulteriori informazioni sulla formazione e sull’evoluzione delle galassie. Si può dire loro esattamente che cosa fare. O meglio ancora, possono discutere in gruppo come analizzare la domanda partendo da come quantificare l'andamento e poi determinando loro stessi la procedura per svolgere i seguenti calcoli.

Usando un calcolatore, gli studenti trovano le percentuali di ogni tipo di galassia nell'ammasso e nel campo (Ignorare le galassie IR e INT).

Utilizzano quindi i numeri dalla tabella precedente per calcolare le percentuali e riempiono ognuno dei seguenti spazi:

Nell'ammasso: % di ellittiche (e / h) = __ %

% di lenticolari (f / h) = __ %

% di spirali (g / h) = _ %

Nel campo: % di ellittiche (i / m) = _ %

% di lenticolari (j / m) = __ %

% di spirali (k / m) = _ %

Domanda: Dove si è trovata una percentuale più alta: nell'ammasso o nel campo? Risposta: _

Spiegare agli studenti che le percentuali appena trovate ci dicono quali tipi di galassie sono comuni nell'ammasso della Chioma e quali sono comuni nel campo.

Gli astronomi hanno fatto questo stesso esperimento su centinaia di migliaia di galassie nell'universo vicino e hanno scoperto quanto segue:

• Nell'interno degli ammassi, il 40% delle galassie sono ellittiche, il 50% lenticolari e il 10% a spirale.

• Nel campo, il 10% delle galassie sono ellittiche, il 10% lenticolari e l80% a spirale.

Quando le galassie sono tra loro molto vicine ci sono più ellittiche e lenticolari. Quando le galassie sono distanti ci sono più spirali. Gli astronomi lo chiamano “effetto morfologia-densità”. Questo termine indica che in ambienti costituiti da molte galassie, come gli ammassi, ci sono diversi tipi di galassie rispetto a quelli che si trovano in aree aperte, come nel campo.

Fase 9

Gli studenti, a questo punto (dalla fase 7), dovrebbero avere posto la domanda: “Perché vediamo più galassie ellittiche e lenticolari negli ammassi e più spirali nel campo?” (Questa domanda può anche essere espressa come segue: “Perché osserviamo l'effetto morfologia-densità?”). Dovrebbero avere anche colto l'idea che potrebbero essere coinvolte le interazioni e anche che si verificano più interazioni in ambienti più densi, come il centro di un ammasso.

Di seguito ci sono le informazioni che si possono usare per rispondere a questa domanda. Si può dare agli studenti questo testo da leggere, poi si può invitarli a discutere e prendere nota della spiegazione di questo effetto; oppure si può continuare a sollecitare gli studenti con attività di brainstorming e discutendo idee per possibili spiegazioni. Possono quindi svolgere ricerche su libri di testo o in internet individualmente o in gruppo e poi condividere quanto emerso.

Spiegazione:

Molte galassie contengono ciò che gli astronomi chiamano “gas”, che generalmente significa gas idrogeno, a volte mescolato con gas di altri elementi, e a volte anche con polvere. Le nubi di gas possono collassare per forza di gravità, il che porta alla formazione delle stelle. Gli astronomi hanno

osservato molte galassie a spirale (S o SB) e scoperto che la maggior parte di queste galassie contengono molto gas e determinano molte nuove formazioni stellari. Le galassie ellittiche e lenticolari (E, SO e SBO) sono povere di gas e la formazione stellare è scarsa.

Le galassie che sono molto vicine tra loro, come quelle negli ammassi, sono soggette a molteplici violente interazioni. Quando una galassia a spirale ricca di gas interagisce con un'altra galassia, tende a consumare velocemente la maggior parte del suo gas per formare nuove stelle, lasciandosi dietro poco gas. Queste interazioni spesso trasformano le galassie ricche di gas in galassie povere di gas. Molte galassie lenticolari sono i resti di vecchie spirali che hanno perso il loro gas e molte ellittiche sono i resti di numerose spirali entrate in collisione.

Gli ammassi di galassie sono di solito costituiti da grandi quantità di gas molto caldo che si diffonde all'interno dell'ammasso. Tuttavia, fuori nel campo non c'è presenza di gas caldo. Quando la radiazione proveniente da questo gas caldo colpisce una galassia a spirale, la priva del suo gas molto più freddo in un processo detto “ram pressure stripping”. Questo processo trasforma una galassia a spirale ricca di gas in una lenticolare povera di gas. Le galassie a spirale faticano a sopravvivere in un ambiente di gas surriscaldato.

Come si può vedere, le galassie cambiano e si evolvono nel tempo e le galassie che osserviamo oggi nell'universo vicino hanno già avuto una storia molto lunga.

Attività supplementare

Una volta che gli studenti conoscono le forme delle galassie, possono contribuire a un vero progetto di ricerca scientifica esplorando il programma di scienza fatta dai cittadini Galaxy Zoo: http://www.space-awareness.org/it/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC