La nostra galassia: la Via Lattea. Lezione 13

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1 La nostra galassia: la Via Lattea Lezione 13

2 Sommario La struttura della Galassia. Osservazioni in ottico, infrarosso e radio. Disco, sferoide (bulge) e alone. Popolazioni stellari. Braccia a spirale. Rotazione e massa della Galassia. Origine delle braccia a spirale. Il nucleo della Galassia. Un buco nero molto massiccio? Il Gruppo Locale. 2

3 La Via Lattea La debole banda di luce della Via Lattea è la luce delle stelle nel piano della nostra Galassia vista dall interno. Dall esterno, la nostra Galassia potrebbe essere molto simile al suo vicino più grande, la galassia di Andromeda. La Via Lattea, le Nubi di Magellano e la cometa McNaught viste dalla Patagonia (28/01/2007) 3

4 La Galassia in luce visibile Piano Galattico Centro Galattico Nel visibile la nostra visione della Via Lattea è fortemente condizionata dall estinzione da polvere interstellare. L estinzione nel visibile è ~ 1 mag/kpc (molto più alta nelle nubi dense). 4

5 La Galassia in luce infrarossa Sferoide nucleare Piano Galattico La polvere interstellare assorbe radiazione ottica e UV e riemette nell infrarosso. Galassie satelliti Emissione lontano IR da polvere Immagine nel vicino IR L emissione nel vicino IR (proveniente dalle stelle) è molto meno assorbita dalla polvere interstellare e ci permette di osservare più in profondità. Immagine nel lontano IR 5

6 Gli Ammassi Globulari Esistono circa 200 ammassi globulari nella Galassia. Sono ammassi di stelle: diametro ~25 pc; tenuti insieme dalla gravità; stelle vecchie (parte bassa della sequenza principale). Distance da: relazione periodo luminosità delle Cefeidi; tecniche statistiche. Il centro della distribuzione degli ammassi globulari identifica il centro della Galassia. L ammasso globulare M kpc 6

7 La collocazione del Sole Il Sole si trova sul piano galattico a ~8 kpc dal centro della Galassia. Le più importanti componenti della Galassia sono: 1. Disco 2. Sferoide (bulge) 3. Alone 7

8 Le Popolazioni Stellari La Galassia contiene due popolazioni di stelle che si distinguono per l abbondanza di elementi più pesanti dell Elio, i Metalli. Stelle di Popolazione I: si trovano nel disco, sono ricche di metalli, relativamente giovani. Stelle di Popolazione II: si trovano nell alone, povere di metalli, vecchie (prima generazione di stelle nella Galassia). Popolazione I: molte righe di assorbimento anche da elementi più pesanti (metalli). Popolazione II: righe di assorbimento quasi esclusivamente da H. 8

9 Struttura della Galassia: il Disco Disco diametro ~50 kpc; spessore ~500 pc; caratterizzato da braccia a spirale. Braccia a Spirale gran parte delle stelle sono di popolazione I; contengono gran parte del gas; molte stelle luminose di tipo O e B, e regioni HII; nubi molecolari giganti; ammassi aperti. Formazione Stellare in Corso 9

10 Struttura della Galassia: Sferoidi Alone diametro ~200 kpc; stelle di popolazione II; parte bassa della sequenza principale; giganti rosse e nane bianche; ~200 ammassi globulari (pop. II); diverse galassie satelliti (es. le Nubi di Magellano); poco gas e poca polvere. Sferoide nucleare (bulge) raggio ~3 kpc; stelle di popolazione I e II; stelle fredde vecchie ed evolute; alcune stelle giovani; la più alta densità di stelle nella Galassia, poco gas e poca polvere. 10

11 Idrogeno neutro (HI) La distribuzione di H nella Galassia può essere mappata alle onde lunghezze d onda radio con la riga di emissione a 21 cm che viene ammessa a seguito della variazione dell orientazione dello spin dell elettrone nello stato fondamentale. HI a 21 cm mostra che il gas neutro è concentrato sul piano della galassia. Piano della Galassia 11

12 Traccianti della struttura a spirale Gli spostamenti Doppler misurati dalla riga a 21 cm permettono di distinguere tra diverse nubi HI lungo la linea di vista. Nubi 1, 3: blueshift moderato. Nube 4: stessa velocità del Sole (no blueshift). Nube 2: velocità più grande, tutta lungo linea di vista, blueshift massimo osservato. Si può mappare la distribuzione di HI nel disco: è concentrata in varie braccia a spirale. 12

13 Nubi molecolari e bracci a spirale Tecniche simili si possono applicare all emissione radio della molecola del CO per tracciare la distribuzione delle nubi molecolari giganti. Anche queste sono concentrate lungo le braccia a spirale. 13

14 Formazione stellare nelle spirali In altre galassie le braccia a spirale sono tracciati dall emissione di HI ma anche dalle regioni di formazione stellare: stelle O & B luminose; regioni HII. Le regioni tra le braccia non sono vuote ma sono occupate da stelle di lunga vita e bassa luminosità che occupano la parte bassa della sequenza principale. 14

15 Struttura a spirale della Galassia Sono stati identificati 4 braccia a spirale principali. Esistono anche diverse braccia minori. Il Sole si trova al bordo di uno di questi. Il tipo di Hubble della Galassia è: Sbc ( Lezione 14). 15

16 La Via Lattea come Spirale barrata Lavori recenti suggeriscono che le braccia a spirale si dipartono dalle estremità di una struttura allungata che passa attraverso il nucleo: una barra. La Via Lattea è perciò una spirale barrata: SBbc. 16

17 I moti orbitali nella Galassia Le stelle nel disco e nelle componenti sferoidali seguono orbite differenti attorno al centro della Galassia. Le stelle del Disco, le nubi del mezzo interstellare ecc., seguono orbite quasi circolari nel piano del disco della Galassia. Le stelle dell Alone e gli Ammassi Globulari hanno orbite fortemente ellittiche, orientate casualmente. 17

18 Moti orbitali nel disco Rotazione differenziale RS Individualmente le stelle hanno orbite Kepleriane attorno al centro galattico. Una stella a Rs orbita attorno al centro galattico come se vi fosse concentrata tutta la massa MG contenuta entro Rs. Per un orbita circolare: Forza grav. per unità di massa GM G R 2 S = V 2 S R S Accelerazione centripeta Rotazione differenziale La velocità orbitale decresce come R -1/2 ; una curva di rotazione è il grafico di V in funzione di R. V S = GMG R S 18

19 L orbita del Sole La velocità orbitale del Sole si può ricavare dall analisi del moto delle stelle intorno al Sole e risulta: V = 220 km/s Dalla distribuzione degli ammassi globulari la distanza del Sole dal centro galattico è: R = 8 kpc E possibile usare la 3 a legge di Keplero per stimare la massa della Galassia. Il periodo di rotazione del Sole è: P = 2πR /V = 230 Myr La massa entro R (III Legge di Keplero) è: M(R ) = 4π 2 R 3 /(G P 2 ) = M 19

20 La curva di rotazione Galattica Rotazione di corpo rigido entro R< 300 pc (V R). Se tutta la massa della galassia fosse concentrata entro l orbita del Sole, la curva di rotazione oltre il Sole seguirebbe la Legge di Keplero (V R -1/2 ). Curva di rotazione piatta oltre il Sole (V = costante) c è più massa di quella delle stelle visibili. 20

21 Distribuzione di massa nell Alone Il fatto che la curva di rotazione della Via Lattea sia costante comporta che la massa continui a crescere fino a dove viene misurata la curva di rotazione stessa! Consideriamo una distribuzione di massa sferica con densità ρ(r). Ad un dato raggio r, solo la massa entro r, M(r), contribuisce alla velocità di rotazione circolare v(r). Applichiamo Leggi di Newton e assumiamo v(r)=v0, costante: GM(r) r 2 = v(r)2 r M(r) = rv(r)2 G M(r) = rv2 0 G M(r) = v2 0 G r ma M(r) = 4πr 2 ρ(r) r ovvero si ottiene: ρ(r) = v2 0 4πG 1 r 2 Se la densità di massa va come r -2, la velocità non dipende da r! 21

22 La massa totale della Galassia La massa totale del disco e del bulge nucleare (stelle) è: ~ M Gran parte della massa occupa un alone esteso. La massa totale della galassia è ~10 12 M Gran parte della massa dell alone non è visibile, è Materia Oscura! 22

23 Origine delle braccia a spirale Onda a barra: orbite allineate Onda a spirale: orbite disallineate Orbite boxy disallineate Le braccia a spirale non sono strutture di materia che orbitano a velocità fissate. Sono onde di densità (come le onde sonore), risultato della sincronizzazione delle orbite stellari. Sono paragonabili a ingorghi automobilistici... Le orbite stellari sono leggermente ellittiche e come tali ruotano esse stesse attorno al centro galattico. Le spirali si formano quando le orbite ruotano con velocità simili. La densità è più alta dove le orbite si accumulano si formano le braccia a spirale. 23

24 Formazione stellare nelle spirali Le braccia a spirale ruotano lentamente attorno al centro della galassia. Le stelle ed il gas ruotano attorno al centro a velocità più alte o più basse passano attraverso le braccia a spirale. La formazione stellare inizia quando il gas passa attraverso il braccio a spirale e viene compresso... e si auto-induce grazie ai fronti d urto prodotti dalle supernove. Le stelle di tipo O e B muoiono prima di allontanarsi troppo dalle braccia a spirale. Le stelle di piccola massa percorrono molte orbite durante la loro vita. 24

25 La galassia Vortice (Whirlpool) Una chiara evidenza per l esistenza di questi processi viene anche da altre galassie. La formazione stellare autoindotta è chiaramente visibile lungo le braccia a spirale. Galassia a spirale M51 (Galassia a Vortice - Whirlpool Galaxy). 25

26 Il Centro Galattico Il Centro Galattico (GC) è fortemente oscurato da nubi di polvere poste davanti ad esso. Centro Galattico Vista a grande campo della regione del Centro Galattico (nella Costellazione del Sagittario). L estinzione nel visibile è AV ~30 mag. 26

27 Visione nel radio del Centro Gal. Osservazioni radio ad alta risoluzione spaziale mostrano l esistenza di una sorgente molto intensa: Sgr A* (Sagittarius A star). E circondata da una spirale di gas ionizzato; dimensioni ~ 3pc; Sgr A* il centro della Galassia. le braccia a spirale potrebbero rappresentare gas che sta affluendo verso Sgr A*. 27

28 Stelle al centro della Via Lattea Centro Galattico L ammasso centrale di stelle può essere osservato nel vicino IR anche con l ausilio di Ottiche Adattive. Con i grandi telescopi è possibile individualmente molte stelle e seguire il loro moto nel tempo (moti propri). 28

29 Il Buco Nero al centro della Galassia Orbita ellittica della stella S2: semiasse maggiore 950 UA; periodo 15.2 y. Massa dalle leggi di Keplero: M entro pc. Massa totalmente oscura con densità ρ >10 17 M pc -3 Buco Nero 29

30 Il centro Galattico nei raggi X La regione del Centro Galattico contiene molte binarie X con buchi neri (stellari) e stelle di neutroni. Il buco nero supermassiccio è debole nei raggi X attualmente non è alimentato con gas (carburante). Immagine nei raggi X di Sgr A* da Chandra 30

31 Il Gruppo Locale La Via Lattea è membro di una gruppo di > 30 galassie in interazione gravitazionale. Il Gruppo Locale è composto da: due spirali giganti la Via Lattea; M31 (Andromeda); una spirale più piccola M33 (la galassia a Triangolo); il resto sono ellittiche nane e irregolari. Andromeda e la Via Lattea sono circondate da nubi di galassie satelliti. 31

32 Andromeda e i suoi satelliti Andromeda diametro del disco ~70 kpc; massa ~ M. Satelliti M31 M32 ellittica nana; diametro ~ 3 kpc; massa ~ M. M110 sferoidale nana; diametro ~ 6 kpc; M32 massa < M. M110 32

33 La Via Lattea sta crescendo... Le due spirali giganti (Andromeda e Via Lattea) stanno lentamente cannibalizzando le loro compagne nane. Le forze mareali (gravitazionali) distruggono le galassie satelliti che si lasciano dietro scie di gas e stelle mentre orbitano. La galassia del Canis Majoris sta lentamente venendo fatta a pezzi dalla Via Lattea che si accresce con i detriti. 33

34 Conclusioni La nostra Galassia ha varie componenti. Disco, di diametro ~50 kpc contiene stelle ricche di metalli (Popolazione I) e la maggior parte del gas; massa ~400 miliardi di masse solari. Sferoide, che comprende il bulge nucleare e l alone contiene stelle povere di metalli (Popolazione II) e poco gas. La Galassia ha una curva di rotazione piatta implicando che gran parte della massa si trova nell alone esteso. Questa non si può spiegare con la massa delle stelle è materia oscura. Le braccia a spirale nel disco sono onde di densità che ruotano e sono evidenziate dalla formazione stellare. Al centro della Galassia c è un buco nero di massa ~ M. La Via Lattea è parte di un gruppo di circa 30 galassie in interazione gravitazionale. 34

35 World Wide Web Informazioni sulla Galassia: e sul Gruppo Locale: Presentazione sul Centro Galattico: Sito Web del Gruppo che ha misurato la massa del buco nero al centro della Galassia: 35