Corso facoltativo. Astronomia. Galassie. Christian Ferrari & Gianni Boffa Liceo di Locarno

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1 Corso facoltativo Astronomia Galassie Christian Ferrari & Gianni Boffa Liceo di Locarno

2 Parte 3: Galassie La Via Lattea Classificazione delle galassie Ammassi e super-ammassi Formazione delle galassie Interazione tra galassie Galassie attive Materia oscura nelle galassie Astronomia: Galassie 2

3 La Via Lattea In una notte limpida e oscura è possibile vedere una striscia bianca che attraversa il firmamento: la Via Lattea (la nostra galassia) Astronomia: Galassie 3

4 La Via Lattea Solo nel Seicento si scoprì che la galassia è composta da miliardi di stelle Herschel fu il primo a comprendere che la Via Lattea ha una forma appiattita Astronomia: Galassie 4

5 The Milky Way panorama Astronomia: Galassie 5

6 N.B.: È solo un disegno, perché non è possibile vedere la Via Lattea dall'esterno Astronomia: Galassie 6

7 Classificazione delle galassie Le galassie sono insieme di stelle e ISM Classificazione (di Hubble) secondo l aspetto: Galassie a spirale (S) Galassie a spirale barrate (SB) Galassie ellittiche (E) Galassie irregolari (Irr) Astronomia: Galassie 7

8 Classificazione delle galassie Astronomia: Galassie 8

9 Classificazione delle galassie Galassie a spirale (S/SB) Disco sottile in rotazione formato di stelle blu (tipo OB) di recente creazione (pop. I) e ISM, disco frontalmente come insieme di braccia a spirale Bulge centrale di stelle vecchie (pop. II) Alone quasi-sferico di stelle vecchie (pop. II) attorno al disco, in buona parte concentrate in ammassi globulari Spesso buco nero supermassiccio al centro Astronomia: Galassie 9

10 Classificazione delle galassie S: bulge sferico o ellittico SB: bulge a forma di barra Sottoclassi a: poco gas e polvere b: media quantità c: grande quantità La barra non si sviluppa se la galassia è circondata da un alone massiccio di materia oscura Astronomia: Galassie 10

11 Classificazione delle galassie Astronomia: Galassie 11

12 Classificazione delle galassie Braccia a spirale Rotazione differenziale (la velocità di rotazione varia lungo il raggio, aumentando verso il centro) Non composte dalle stelle (winding problem) Densitywavetheory: braccia zone di compressione temporanea dell ISM (densità %) come un onda di densità che si sposta sul disco L onda di densità favorisce la formazione stellare, le stelle tipo OB finiscono il ciclo prima di uscire Astronomia: Galassie 12

13 Classificazione delle galassie Astronomia: Galassie 13

14 Classificazione delle galassie Galassie ellittiche (E) Assenza di ISM Composte di vecchie stelle giallo/rosse (pop. II) Grande intervallo di massa e dimensione Sottoclassi in funzione dell ellitticità Astronomia: Galassie 14

15 Classificazione delle galassie Galassie irregolari (Irr) Ricche di ISM con regioni HII Presenza di stelle blu (tipo OB) di recente formazione (pop. I) Sottoclassi: in funzione di indizi di strutture organizzate Astronomia: Galassie 15

16 Astronomia: Galassie A spiralgalaxyin Leo NGC

17 Astronomia: Galassie Messier

18 Mosaic of the Majestic Sombrero Galaxy Astronomia: Galassie 18

19 Spiral Galaxy NGC 4565 Astronomia: Galassie 19

20 Astronomia: Galassie The Andromeda Galaxy 20

21 The Lost Galaxy: NGC 4535 Astronomia: Galassie 21

22 The beautiful barred spiral galaxy NGC 1300 Astronomia: Galassie 22

23 Giant Elliptical Galaxy NGC 1316 in Fornax Cluster Astronomia: Galassie 23

24 NGC 4660 in the Virgo cluster of galaxies Astronomia: Galassie 24

25 Barnard's Galaxy Astronomia: Galassie 25

26 Classificazione delle galassie Multiple choice (Galaxies 1) Astronomia: Galassie 26

27 Ammassi e super-ammassi Galassie raggruppate in ammassi (cluster) legate gravitazionalmente Ammassoricco o povero in funzione del numero di galassie, poveri ammassi sono detti gruppi Ammassi raggruppati in super-ammassi, non legati gravitazionalmente, che si allontanano gli uni dagli altri (espansione dell Universo flusso di Hubble) Astronomia: Galassie 27

28 Ammassi e super-ammassi Il gruppo locale faparte del super-ammasso della Vergine Astronomia: Galassie 28

29 The Milky Way and Magellanic Clouds Astronomia: Galassie 29

30 The Fornax Cluster of Galaxies Astronomia: Galassie 30

31 Astronomia: Galassie The Coma GalaxyCluster 31

32 Ammassi e super-ammassi Astronomia: Galassie 32

33 Ammassi e super-ammassi Distribuzione dei super-ammassi lungo filamenti tra i quali vi sono enormi vuoti Filamenti e vuoti sono le strutture più grandi dell Universo e risalgono alla sua creazione dopo il Big Bang Su grandissime scale (oltre i 100 Mpc) la distribuzione della galassie sembra essere grossomodo uniforme Astronomia: Galassie 33

34 Ammassi e super-ammassi Astronomia: Galassie 34

35 Ammassi e super-ammassi Astronomia: Galassie 35

36 Astronomia: Galassie Hubble Ultra Deep Field 36

37 Formazione delle galassie «Metodologia»: tornare in dietro nel tempo equivale a guardare sempre più lontano! Oggetti più distanti che possiamo osservare: galassie giovani, nelle prime fasi della propria formazione Formazione bottom-up: fusione di oggetti piccoli per formare galassie Aggregato di unità subgalattiche: protogalassie Astronomia: Galassie 37

38 Formazione delle galassie Tasso di formazione stellare determina il tipo Tasso basso = basso consumo dell ISM, possibilità di formare un disco appiattito galassia S o SB Tasso alto = alto consumo dell ISM galassia E Astronomia: Galassie 38

39 Formazione delle galassie Astronomia: Galassie 39

40 Formazione delle galassie Due osservazioni: Protogalassie verosimilmente composte solo da idrogeno ed elio Solo con la conclusione del ciclo stellare appaiono gli elementi metallici Quindi se ne deduce che: Galassie E una sola formazione stelle di pop. II Galassie S/SB continua formazione nel disco stelle di pop. I (disco) e stelle di pop. II (bulge, alone) Astronomia: Galassie 40

41 Formazione delle galassie Astronomia: Galassie 41

42 Interazione tra galassie Interazione tra galassie Deformazione gravitazionale causata dal passaggio ravvicinato tra di esse Collisione vera e propria con interpenetrazione delle galassie Caso di collisione di galassie a spirale: Gli urti convertono la maggior parte del mezzo interstellare in nuove stelle Si ha la formazione di un unica galassia ellittica Astronomia: Galassie 42

43 Interazione tra galassie Se galassie piccole passano attraverso l esteso alone di una galassia ellittica gigante sono divorate dalla galassia più grande: cannibalismo galattico Potrebbe essere il motivo per il quale le giganti galassie ellittiche sono così enormi, esse occupano il centro di ricchi ammassi Gli incontri ravvicinati tra galassie forniscono anche un modo per formare braccia a spirale Astronomia: Galassie 43

44 Interazione tra galassie Collisione e fusione di due galassie con espulsione di stelle nello spazio Stelle nel disco = blu, stelle dei bulge = bianco, rosso = materia oscura che circonda ogni galassia Astronomia: Galassie 44

45 Interazione tra galassie Astronomia: Galassie 45

46 Astronomia: Galassie A rose made of galaxies: a pair of interacting galaxies called Arp

47 Astronomia: Galassie UGC 8335 is a strongly interacting pair of spiral galaxies 47

48 Astronomia: Galassie Collision between two spiral galaxies, NGC 6050 and IC

49 Astronomia: Galassie The Tinker Bell Triplet 49

50 Interazione tra galassie Astronomia: Galassie 50

51 Interazione tra galassie Astronomia: Galassie 51

52 HUBBLE 15 YEARS OF DISCOVERY CHAPTER 5 Astronomia: Galassie 52

53 Galassie attive Galassie caratterizzate da: Emissioni elevatissime dalla zona centrale Lobi di materia espulsa perpendicolarmente al piano della galassia sono dette galassie attive e presentano un nucleo galattico attivo (AGN) Tipicamente galassie la cui luce arriva dallo spazio profondo, sono quindi giovani galassie Astronomia: Galassie 53

54 Galassie attive Sorgente di luce: Galassie «ordinarie»: stelle (spettro da IR a UV) Galassie attive: AGN (tutto lo spettro, spesso onde radio e raggi X) Spettri ottici delle galassie attive non spiegabili in termini di normali o eccezionali episodi di formazione stellare Diversi tipi di galassie attive e un modello unificato Astronomia: Galassie 54

55 Galassie attive Tipi di galassie attive: Galassie Seyfert Radiogalassie Quasar Blazar Quasar: forte redshift, grande distanza Astronomia: Galassie 55

56 Astronomia: Galassie Quasar 3C

57 Astronomia: Galassie Quasars and Their Host Galaxies 57

58 Astronomia: Galassie A Multi-Wavelength View of Radio Galaxy Hercules A 58

59 Astronomia: Galassie Close-up Look at a Jet near a Black Hole in Galaxy M

60 Astronomia: Galassie Fireworks near Galaxy NGC

61 Galassie attive Ipotesi di un buco nero super-massiccio (SMBH) al centro di un AGN con un disco di accrescimento Un buco nero centrale super-massiccio potrebbe essere la sorgente dell energia di un AGN: Quando il gas cade nel buco nero la sua energia gravitazionale è convertita in parte in radiazione e potrebbe produrre la stessa quantità di radiazione di quella osservata negli AGN Astronomia: Galassie 61

62 Galassie attive Quanto dovrebbe essere grande un buco nero per alimentare un AGN? Limite naturale alla luminosità emanata tramite l accrescimento su un oggetto compatto come un buco nero: limite di Eddington Se la luminosità supera, la pressione di radiazione spinge il gas verso l esterno Astronomia: Galassie 62

63 Galassie attive Stima della massa del buco nero Visione unificata delle galassie attive Un buco nero super-massiccio al centro Un disco di accrescimento tutto intorno Un anello di gas e polvere a forma di toro attorno al disco Astronomia: Galassie 63

64 Galassie attive Motore centrale composto da un buco nero circondato da un disco di accrescimento, se il buco nero ruota potrà emettere getti di elettroni relativistici dai poli corrispondenti all asse di rotazione Regione broadline region (BLR) di dimensioni inferiori a 0,01 pc, composta di nubi di gas caldo in moto molto veloce 10 4 km/s, di densità e temperatura abbastanza alte da generare le righe larghe osservate negli spettri degli AGN Astronomia: Galassie 64

65 Galassie attive Regione toroidale composta di polveri di dimensioni inferiori a 1 pc che circonda il motore centrale e la BLR, oscurandone l emissione su un grande angolo di vista Regione narrowline region (NLR) di dimensioni tipicamente di 100 pc composta di nubi calde, simile alla BLR ma con le nubi in moto più lento 10 3 km/s e di densità minore della BLR così da generare righe fini Astronomia: Galassie 65

66 Galassie attive Astronomia: Galassie 66

67 Galassie attive Modello unificato: Tutti gli AGN condividano alcune caratteristiche fondamentali Consente differenti schemi di radiazione con la premessa che l aspetto di un AGN dipende dal punto di vista dell osservatore Un AGN osservato di fronte mostrerà aspetti della sua regione centrale, in uno visto da lato queste caratteristiche saranno oscurate dal toro di polvere Astronomia: Galassie 67

68 Galassie attive Astronomia: Galassie 68

69 Astronomia: Galassie Dust Disk Fuels Black Hole in Giant Elliptical Galaxy NGC

70 Astronomia: Galassie A dust-bound supermassive black hole (Artist s impression) 70

71 Galassie attive Astronomia: Galassie 71

72 HUBBLE 15 YEARS OF DISCOVERY CHAPTER 6 Astronomia: Galassie 72

73 Materia oscura nelle galassie 1933 Zwicky: ammasso di Coma 400 volte di più della massa visibile Astronomia: Galassie 73

74 Materia oscura nelle galassie Ripartizione della massa nelle galassie a spirale via l osservazione della radiazione massa visibile o materia visibile Stima della massa visibile: grazie alla tipica distribuzione delle stelle in HR relazione massa visibile M V luminosità L (in media per ottenere ) Il coefficiente dipende dal tipo Sa, Sb o Sc Astronomia: Galassie 74

75 Materia oscura nelle galassie Analisi degli effetti gravitazionali, scoperta di massa non necessariamente visibile massa oscura o materia oscura Terza legge di Keplero (relazione massa periodo) a = semi-asse maggiore P = periodo G = cost. di gravitazione universale Osservazione del moto di una stella in periferia derivazione della massa all interno dell orbita Astronomia: Galassie 75

76 Materia oscura nelle galassie Curve di rotazione Moto circolare r = raggio v = velocità Luminosità per unità di superficie e densità superficiale di materia visibile Velocità in funzione del raggio R v = raggio caratteristico della materia visibile Astronomia: Galassie 76

77 Materia oscura nelle galassie A: previsione teorica basata sulla materia visibile B: osservazione Astronomia: Galassie 77

78 Materia oscura nelle galassie Rubin (1967) Astronomia: Galassie 78

79 Materia oscura nelle galassie Astronomia: Galassie 79

80 Materia oscura nelle galassie Dai dati sperimentali: Necessità di forza di gravità supplementare per mantenere legate le parti esterne che hanno una velocità molto maggiore di quello previsto Quindi necessità di materia oltre quella visibile materia oscura che genera la gravità suppl. Velocità di rotazione costante Densità che decresce come (sim. sferica) Non si conosce ancora il limite della galassia Astronomia: Galassie 80

81 Materia oscura nelle galassie «Nuova» visione delle galassie a spirale: Descrizione «classica» secondo la massa visibile Alone sferico di materia oscura La materia oscura rappresenta la maggioranza della materia della galassia Cosa è la materia oscura? Deboli stelle rosse di piccola massa (HST NO) Particelle esotiche? Per ora solo ipotesi!!! WIMP (Weakly Interactive Massive Particle), assioni Astronomia: Galassie 81

82 Artist s impression of the expected dark matter distribution around the Milky Way Astronomia: Galassie 82

83 Hubble maps dark matter web in a large galaxy cluster Astronomia: Galassie 83

84 Materia oscura nelle galassie Astronomia: Galassie 84

85 Materia oscura nelle galassie Altra evidenza della materia oscura: Lente gravitazionale: distorsione della luce Deviazione proporzionale alla massa Astronomia: Galassie 85

86 Materia oscura nelle galassie Astronomia: Galassie 86

87 Astronomia: Galassie Gravitational lensing in the galaxy cluster Abell

88 HUBBLE 15 YEARS OF DISCOVERY CHAPTER 7 Astronomia: Galassie 88

89 Altri aspetti delle galassie Multiple choice (Galaxies 2) Astronomia: Galassie 89