The Great Silver River

(Italian version follows below/versione italiana a fine pagina)

In the now rare places of the Earth exempt from light pollution, it is possible to admire a bright milky strip that furrows the night sky. It is the Milky Way, considered by the ancient Greeks a trace of breast milk imprinted in the firmament by the goddess Hera, in the act of rejecting little Hercules, son of Zeus and Alcmena, who had been approached to her breast with deception, so that the goddess nourished the child with the serum of Immortality.

As reported in the Sidereus Nuncius (1610), Galileo was the first to realize, thanks to the observations made with the telescope, that the immense opalescent cloud consists of a set of myriads of stars. Over a century later, Thomas Wright, Immanuel Kant, and later Frederick William Herschel (On the Construction of the Heavens, 1785) managed to draw the first approximate models of the galactic conformation.

Today we know that the observable universe could host a number between 100 and 1000 billion galaxies, each of which containing a quantity of stars that can vary, depending on the size of the set, between a few tens of millions and a thousand billion stars. The Milky Way includes a number of stars estimated at around 200-400 billion, and extends for a diameter of about 100 000 light years, with an average thickness of 1000 light years.

The galaxies are distinguished according to their shape in elliptic, spiral, annular, lenticular and irregular. There are also numerous dwarf galaxies, generally satellites of the main ones, populated by a few billion celestial bodies. The Milky Way has one of the most common structures, the spiral or barred spiral one.

An effective descriptive analogy regarding the morphology and the dynamic properties of a spiral galaxy consists in the visual comparison between the ordinary luminous matter constituting the system (which consists of stars and gases and powders of the interstellar medium reciprocally bound by gravitational attraction) and a unitary fluid subject to vortex motion.

A vortex manifests itself in the presence of contact between fluid currents of different velocities, and can be defined as a configuration of motion of a fluid in which the fluid current rotates around a central axis. In the case of a so-called rigid body vortex, the angular rotation speed is uniform and the tangential velocity increases proportionally to the distance from the axis. This phenomenon can be assimilated to the increase of the tangential velocity of the stars of a galaxy as the distance from the center increases. This mode of kinetic increase, which was effectively detected by the experiments conducted by astronomers like Vera Rubin in the 1970s, is considered one of the main proofs of the existence of galactic dark matter, and one of the fundamental criteria for establishing its hypothetical quantity, which is around 90% of the total mass in spiral galaxies.

Because of viscous forces internal to the fluid system, the vortices with an approximately parallel orientation and circulating in concordant directions tend to overlap in a complex manner and to converge into higher dimensional scale configurations. In the presence of particularly intense gravitational interactions, even nearby galaxies tend to merge, giving rise to the formation of macroagglomerates with irregular shapes.

In a rigid body vortex flow of a fluid with a constant density, the peripheral pressure is higher than that in the central region. The core with low pressure attracts matter and energy from more external regions. As a consequence of Helmholtz’s II theorem on the motion of vortices (which asserts the preservation of a vortex surface in the absence of dissipative forces) as long as the energy of the median region is not slowly dispersed due to the viscous forces, the fluid and the matter captured remain trapped in the nucleus. The figurative similarity is evident with the activity of a black hole located in the galactic center, capable of attracting matter and radiation to its interior until the material available in its vicinity is exhausted.

In addition to offering a valid support to visualization, the galactic model of the vortex fluid meets an ancient myth, common to the Egyptian and Oriental traditions, which considers the galaxy as an immense river reflected in the sky. The image of the Great Silver River with its turbulent currents is picked up by the fervid human thought and returned to us, almost intact.


Il Grande Fiume Argentato

Negli ormai sempre più rari luoghi della Terra esenti da inquinamento luminoso è possibile ammirare una banda lattiginosa lucente che solca il cielo notturno. È la Via Lattea, considerata dagli antichi Greci una traccia di latte materno impressa nel firmamento dalla dea Hera, nell’atto di respingere il piccolo Ercole, figlio di Zeus e di Alcmena, che le era stato avvicinato al seno con l’inganno, affinché la dea nutrisse il fanciullo con il siero dell’Immortalità.

Come riportato nel Sidereus Nuncius (1610), Galileo fu il primo a realizzare, grazie alle osservazioni effettuate con il cannocchiale, che l’immensa nube opalescente fosse costituita da un insieme di miriadi di stelle. Oltre un secolo più tardi, Thomas Wright, Immanuel Kant e successivamente Frederick William Herschel (Sulla struttura dei cieli, 1785) riuscirono a disegnare i primi modelli approssimativi della conformazione galattica.

Oggi sappiamo che l’universo osservabile potrebbe ospitare un numero compreso tra 100 e 1000 miliardi di galassie, ognuna delle quali contenente una quantità di stelle che può variare, in base alle dimensioni dell’insieme, tra poche decine di milioni e un migliaio di miliardi di astri. La Via lattea comprende un numero di stelle stimato intorno ai 200-400 miliardi, e si estende per un diametro di circa 100 000 anni luce, con uno spessore medio di 1000 anni luce.

Le galassie vengono classificate secondo la loro forma in ellittiche, spirali, anulari, lenticolari e irregolari. Esistono inoltre numerose galassie nane, in genere satelliti di quelle principali, popolate da pochi miliardi di corpi celesti. La Via Lattea presenta una struttura tra le più comuni, spiraliforme o a spirale barrata.

Un’efficace analogia descrittiva riguardo alla morfologia e alle proprietà dinamiche di una galassia spirale consiste nel paragone visivo tra la materia ordinaria luminosa costituente il sistema (che consta di stelle e di gas e polveri del mezzo interstellare legati reciprocamente dall’attrazione gravitazionale) e un fluido unitario soggetto a moto vorticoso.

Un vortice si manifesta in presenza di contatto tra correnti fluide di differenti velocità, e può essere definito come una configurazione di moto di un fluido nella quale la corrente fluida ruota intorno ad un asse centrale. Nel caso di un vortice di corpo rigido, la velocità di rotazione angolare è uniforme e la velocità tangenziale aumenta in maniera proporzionale alla distanza dall’asse. Tale fenomeno può essere assimilato all’aumento della velocità tangenziale delle stelle di una galassia al crescere della distanza dal centro. Questa modalità di incremento cinetico, che è stata effettivamente rilevata dagli esperimenti condotti da astronomi come Vera Rubin negli anni ’70 del 1900, è considerata una delle principali prove dell’esistenza di materia oscura galattica, e uno dei criteri fondamentali per stabilirne la quantità ipotetica, che si aggira intorno al 90% della massa totale nelle galassie a spirale.

A causa di forze viscose interne al sistema fluido, i vortici con un orientamento approssimativamente parallelo e circolanti in direzioni concordi tendono a sovrapporsi in maniera complessa e a confluire in configurazioni di scala dimensionale superiore. In presenza di interazioni gravitazionali particolarmente intense, anche le galassie vicine tendono a fondersi, formando macroagglomerati con forme irregolari.

In un flusso vorticoso a corpo rigido di un fluido con densità costante, la pressione periferica è più elevata di quella nella regione centrale. Il nucleo di bassa pressione attrae materia ed energia dalle regioni più esterne. In conseguenza del II teorema di Helmholtz sul moto dei vortici (che asserisce la conservazione di una superficie vorticosa in assenza di forze dissipative), finché l’energia della regione mediana non viene lentamente dispersa a causa delle forze viscose, il fluido e la materia catturata rimangono intrappolati nel nucleo. Risulta evidente la similitudine figurativa con l’attività di un buco nero situato nel centro galattico, in grado di attirare al suo interno materia e radiazione fino all’esaurimento del materiale disponibile nelle sue vicinanze.

Oltre a offrire un valido supporto alla visualizzazione, il modello galattico del fluido vorticoso incontra un antico mito, comune alle tradizioni egizie ed orientali, che considera la galassia come un immenso fiume riflesso nel cielo. L’ immagine del Grande Fiume Argentato con le sue turbolente correnti viene ripresa dal fervido pensiero umano e riconsegnata a noi, quasi intatta.

Credits featured image: Luca Concas 

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