Formazione ed Evoluzione delle Galassie: un problema di archeologia cosmica. Francesca Matteucci Dipartimento di Fisica Universita di Trieste

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1 Formazione ed Evoluzione delle Galassie: un problema di archeologia cosmica Francesca Matteucci Dipartimento di Fisica Universita di Trieste

2 La Via Lattea

3 Anticamente la Via Lattea era... Il latte perso da Giunone mentre allattava Ercole (Grecia) La via per Roma (i primi cristiani) Il grano seminato da Iside (Egitto) Un grande fiume (Arabia) Polvere di stelle fatta di oro (Incas)

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5 Note Storiche Nel 1610 Galileo scopri che la Via Lattea e costituita da miriadi di stelle: nihil aliud quam innumerarum stellarum coecervatim consitarum congeries (Sidereus Nuncius) Wright e Kant: l intuizione degli universi isola, XVIII secolo Herschel alla fine del XVIII secolo e Kapteyn XIX secolo : la Via Lattea è un disco di stelle con il Sole al centro Shapley e Hubble: la visione moderna della Galassia, inizio XX secolo

6 Hubble misuro le distanze delle galassie e scopri che esse si allontanano da noi! How did Hubble prove that galaxies lie far beyond the Milky Way?

7 I moderni telescopi: VLT

8 Veduta di Paranal

9 Hubble Space Telescope

10 Il centro galattico

11 La Via Lattea vista di taglio

12 La vera immagine della Via Lattea

13 Popolazioni Stellari: cinematica e composizione chimica Il moto di una stella puo essere decomposto in tre componenti: una circolare (V), una radiale (U) ed una perpendicolare al disco (W) Il contenuto metallico di una stella e indicato dalla sua concentrazione di ferro relativa a quella solare, misurata dagli spettri Nella Via Lattea ci sono 4 popolazioni stellari : alone, disco spesso, disco sottile e bulbo

14 Anatomia della Via Lattea

15 Evoluzione chimica Le stelle di alone col minor contenuto metallico si sono formate per prime durante il collasso iniziale del gas Le stelle di disco sottile con maggior contenuto metallico si sono formate dal gas arricchito chimicamente dalle varie generazioni stellari Il gas interstellare si e progressivamente arricchito in elementi pesanti

16 Come si formano gli elementi chimici L universo fatto di materia conosciuta e costituito al 70% da H, 28% da He e 2% da elementi piu pesanti Nel Big Bang si formo H, D, parte dell He e il litio Tutti gli elementi dal carbonio al ferro vengono formati dentro le stelle attraverso reazioni di fusione nucleare. Dal ferro all uranio per cattura di neutroni. Siamo figli delle stelle!! Alla morte delle stelle essi vengono restituiti al gas da cui si formeranno nuove stelle evoluzione chimica

17 Nucleosintesi stellare Le principali reazioni nucleari delle stelle sono quelle che trasformano H in He (catena p-p e ciclo CNO) A cui seguono le reazioni del ciclo 3-alpha : 3 particelle alfa (nuclei di He) che si fondono per dare origine ad un nucleo di Carbonio Seguono poi le reazioni che formano gli elementi alfa (O, Ne, Mg, Si, S, Ca) A+ alfa B+ fotone Le reazioni di fusione si bloccano alla formazione del Fe a cui corrisponde la massima energia di legame per nucleone

18 La fusione dell H: catena protone-protone

19 La fusione dell He

20 Bruciamenti avanzati

21 Nucleosintesi Stellare Le stelle come il Sole e fino a circa 8 volte la massa del Sole producono elio, carbonio e azoto. Muoiono come nane bianche Le stelle massicce (da 10 a 100 volte la massa del Sole) producono gli elementi alfa (O, Ne, Mg, Si, S, Ca...) e poco Fe e muoiono come Supernovae di tipo II lasciando una stella di neutroni o un buco nero Nane bianche in sistemi binari esplodono come Supernovae di tipo Ia e producono la maggior parte del Fe

22 Evoluzione stellare

23 Nucleosintesi

24 Supernova 1987A

25 Supernova Ia in una Galassia Spirale

26 La morte di stelle come il Sole: Nebulose Planetarie

27 Rapporti di Abbondanze come Orologi Cosmici Gli elementi alfa vengono prodotti dalle stelle massicce su tempi scala dell ordine dei milioni di anni Il ferro viene prodotto dalle supernovae Ia su tempi scala dell ordine dei miliardi di anni I rapporti alfa/ferro ed altri rapporti possono venire usati come orologi cosmici

28 Tempi di formazione dai rapporti di abbondanze chimiche Deduciamo che la durata della fase di alone e disco spesso non puo essere maggiore di miliardi di anni Il disco si e formato per accrescimento lento di gas in circa 7 miliardi di anni alla posizione solare e piu rapidamente verso centro galattico Le parti piu esterne del disco sono ancora in formazione Il bulbo centrale si e formato rapidamente dallo stesso gas di alone in un tempo da 0.5 a 1.5 miliardi di anni

29 Un possibile scenario

30 La nostra Galassia in confronto con le altre galassie Le indicazioni osservative ci mostrano che i rapporti alfa/ferro nelle stelle delle galassie nane satelliti della Via Lattea sono diversi da quelli delle stelle galattiche Galassie diverse ( spirali, ellittiche e irregolari) evolvono su tempi scala diversi a causa di una diversa storia di formazione stellare Diverse storie di formazione creano diverse abbondanze chimiche e diversi rapporti di abbondanze

31 I rapporti [alfa/fe]

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33 Ellittiche ed Irregolari

34 La Via Lattea e le altre galassie Le galassie ellittiche sono fatte di stelle vecchie come quelle dell alone della nostra galassia. Si sono formate miliardi di anni fa in tempi scala simili a quelli della formazione dell alone e del bulbo galattico Le altre galassie spirali si sono formate in maniera simile alla Via Lattea Le galassie irregolari si sono formate piu lentamente della Via Lattea e stanno attivamente formando stelle ancora oggi I diversi rapporti di elementi alfa/fe previsti per le diverse galassie consentono di identificare le galassie lontane di cui non vediamo la morfologia

35 Materia Oscura e Energia Oscura La materia luminosa (stelle e gas) rappresenta una minima parte della materia dell Universo (4%). La materia oscura domina su quella luminosa e rappresenta il 23 % dell Universo Il 73% e costituito da energia oscura che tende a far accelerare l Universo Conclusioni derivate dalla radiazione di fondo cosmica e dal diagramma di Hubble

36 Dark Matter Pie: la composizione dell Universo

37 Problemi aperti in cosmologia Non sappiamo quale sia la natura della maggior parte della materia oscura Non sappiamo cosa sia la dark energy Dobbiamo capire la formazione ed evoluzione delle galassie C e altra vita nel cosmo? (1000 e piu esopianeti sono stati scoperti)

38 La maggior parte dei pianeti scoperti finora dal telescopio spaziale Kepler (piu di 1700) non sono abitabili Sono infatti in gran parte pianeti gassosi troppo vicini alla stella Stiamo pero cominciando a scoprire sistemi planetari extrasolari con almeno un pianeta nella zona abitabile Tuttavia quelli scoperti finora non sono di tipo terrestre

39 Alcune grandi surveys del presente e del futuro

40 Cosa ci aspettiamo? Di misurare le distanze di 11 milioni di stelle con una precisione < 1% (GAIA) Di capire meglio la formazione delle galassie, la distribuzione della materia oscura e l evoluzione chimica delle galassie (Herschel, GALEX, JWST) Di studiare sempre piu in dettaglio i pianeti extrasolari e la vita nello spazio (GAIA, E-ELT) Di verificare l esistenza di onde gravitazionali prodotte dall espansione esponenziale avvenuta nel Big Bang con misure di polarizzazione del fondo a microonde (Planck)

41 I mastodonti del presente e del ALMA (Atacama Large Millimeter Array) nel deserto di Atacama in Cile, Europa, USA e Giappone futuro 60 radiotelescopi da 12 metri di diametro che catturano informazioni sulle prime stelle e le prime galassie

42 I mastodonti del futuro: il telescopio piu grande di tutti E-ELT (European Extremely Large Telescope), progetto tutto europeo, 2017 Telescopio ottico con un specchio da 39 metri di diametro! Catturera la luce dell universo primordiale meglio di HST

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