Morfologia e classificazione delle galassie

Morfologia e classificazione delle galassie Enrico Maria Corsini Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Padova Lezioni del corso di Astrofisica I A.A. 2014-2015 1

Sommario E Scopo delle classificazioni morfologiche E Classificazione morfologica delle galassie normali (Hubble, de Vaucouleurs, van den Bergh, Morgan) E Classificazione morfologica delle galassie peculiari (Vorontsov-Velyaminov, Arp) E Morfologia e luminosità E Morfologia delle galassie del Gruppo Locale E Limiti delle classificazioni morfologiche 2

Scopo delle classificazioni morfologiche E La classificazione morfologica è il primo passo verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad alto redshift) E La morfologia è correlata con molte delle proprietà globali delle galassie (a.e. popolazioni stellari, momento angolare, tasso di formazione stellare, contenuto di gas, ambiente) E Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione ed evoluzione delle galassie 3

Classificazione morfologica di Hubble E Introdotta da Edwin P. Hubble nel 1926 (E-S-Irr) E Perfezionata nel 1936 (E-S0-S-Irr) E Descritta e illustrata da Allan Sandage nel The Hubble Atlas of Galaxies (Sandage 1961) E Applicata a 1200 galassie del A Revised-Shapley Ames Catalog of Bright Galaxies (Sandage & Tammann 1981) E Trova la sua esposizione finale nel The Carnegie Atlas of Galaxies (Sandage & Bedke 1994) 4

Hubble: tipi morfologici E È la classificazione più usata e fornisce la terminologia di base E Hubble distingue le galassie in quattro famiglie: - galassie ellittiche (E) - galassie lenticolari normali (S0) e barrate (SB0) - galassie a spirale normali (S) e barrate (SB) - galassie irregolari (Irr) e le colloca lungo cosiddetto diagramma a diapason (tuning-fork diagram) 5

Hubble: diagramma a diapason Irr I Irr II Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari 6

Hubble: galassie ellittiche E Forma (apparente) ellittica E Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri E I sottotipi sono definiti sulla base dello schiacciamento apparente (ellitticità) En, n=0,1, 7 con n = 10 e = 10 (1-b/a) b e = 1 b/a a 7

b/a 1 0.7 0.5 0.3 1-b/a 0 0.3 0.5 0.7 tipo E0 E3 E5 E7 8

Hubble: galassie lenticolari E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco senza evidenza di bracci di spirale E Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0) E I sottotipi S0 1, S0 2, S0 3 sono definiti dalla: - prominenza delle polveri nel disco E I sottotipi SB0 1, SB0 2, SB0 3 sono definiti dalla: - prominenza della barra 9

NGC 3245 S0 1 NGC 524 S0 2 NGC 5866 S0 3 NGC 1023 SB0 10 1 NGC 2859 SB0 2 NGC 4643 SB0 3 /SBa

Hubble: galassie a spirale E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale E Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB) E I sottotipi Sa, Sb, Sc sono definiti da tre criteri: - prominenza del bulge rispetto al disco - avvolgimento/apertura dei bracci a spirale - risoluzione del disco in stelle, nodi, regioni HII 11

di taglio di faccia Sa Bulge molto prominente Bracci molto avvolti Bracci poco risolti Sc Bulge poco prominente Bracci poco avvolti Bracci molto risolti 12

ψ ψ = angolo di attacco (pitch angle) 13

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NGC 1302 Sa NGC 2841 Sb NGC 628 Sc NGC 175 SBa NGC 1300 SBb NGC 7741 SBc 15

Hubble: galassie irregolari E Poca o nessuna simmetria E Due sottoclassi: tipo I (Irr I) e tipo II (Irr II) - Irr I: fortemente risolte in stelle (a.e. LMC) - Irr II: caotiche e disturbate (a.e. M82) E Successivamente vengono ridistinte in - Im: irregolari di tipo magellanico - IBm: irregolari barrate di tipo magellanico rispettivamente poste lungo la sequenza delle S e delle SB 16

LMC Irr I NGC 4449 Irr I Holmberg II Irr I NGC 3034 (M82) Irr II NGC 520 Irr II NGC 520 Irr II 17

E Sandage (1961) introduce due ulteriori sottotipi per segnalare la presenza di un anello (r) da cui si dipartono i bracci o dei soli bracci a spirale (s) E0 E7 18

Hubble: evoluzione storica Irr I Irr II (Kormendy & Bender 1996) S0a S0b S0c Sph Sa Sb Sc Im (Kormendy & Bender 2012) 19

Hubble: punti critici E La classificazione è definita su galassie prototipo di tipo gigante e supergigante che sono isolate o si trovano in piccoli ammassi E Le S0 in media sono meno luminose sia delle E che delle Sa. Questo indica che non tutte le S0 hanno proprietà fisiche intermedie tra ellittiche e spirali E Le spirali barrate di tipo avanzato sono meno brillanti delle spirali non barrate della stessa classe E Mancano criteri oggettivi per distinguere le spirali di tipo molto avanzato e le galassie irregolari 20

Classificazione morfologica di de Vaucouleurs E Introdotta da Gerard de Vaucouleurs nel 1959 E Estende la classificazione di Hubble E Descritta nel Reference Catalog of Bright Galaxies (RC1, de Vaucouleurs et al. 1964) E Applicata a 23000 galassie del Third Reference Catalog of Bright Galaxies (RC3, de Vaucouleurs et al. 1991) E Illustrata nel The de Vaucouleurs Atlas of Galaxies (Buta et al. 2007) 21

de Vaucouleurs: tipi morfologici de Vaucouleurs distingue le galassie secondo tre parametri: E posizione lungo la sequenza morfologica principale E-E + -S0 - -S0 0 -S0 + -Sa-Sb-Sc-Sd-Sm-Im E presenza o meno della barra SA = senza barra, SAB = barra debole, SB = barra E tre varietà (r) = i bracci si dipartono da un anello, (s) = presenza dei soli bracci a spirale, (rs) = varietà intermedia e le colloca lungo cosiddetto diagramma a fuso 22

de Vaucouleurs: diagramma a fuso 23

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de Vaucouleurs: SA SA(rs) SA(s) SA(r) 25

de Vaucouleurs: SB SB(s) SB(r) SB(rs) 26

de Vaucouleurs: SAB SAB(rs) SAB(s) SAB(r) 27

de Vaucouleurs: S(r) SA(r) SAB(r) SB(r) 28

SA(s) de Vaucouleurs: S(s) SAB(s) SB(s) 29

de Vaucouleurs: S(rs) SA(rs) SAB(rs) SB(rs) 30

de Vaucouleurs: tipo T La posizione di una galassia lungo l asse principale della classificazione può essere espressa tramite il numero T (Hubble stage) Hubble E E-S0 S0 S0/a Sa Sa-b Sb Sb-c Sc Sc-Irr Irr de Vauc. E E + S0 - S0 0 S0 + S0/a Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sdm Sm Im T -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 31

de Vaucouleurs: codici 32

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NOME CODICE TIPO NGC 4486.E+0+P. E + 0-1 pec NGC 4697.E.6 E6 NGC 3115.L..-./ S0 - sp NGC 2855 RSAT0.. (R)SA0/a(rs) NGC 6782 RSXR1.. (R)SAB(r)a NGC 2775.SAR2.. SA(r)ab NGC 7741.SBS6.. SB(s)cd NGC 3034.I.0../ I0 sp 34

de Vaucouleurs: punti critici E I colori di SA e SB della stessa classe sono molto simili. Questo indica che le differenze tra SA e SB non riguardano le popolazioni stellari E La dicotomia tra varietà (r) e (s) è un aspetto secondario della morfologia E La classificazione per le spirali avanzate non distingue chiaramente tra effetti di luminosità e di popolazione. Le spirali Sc-Sd-Sm diventano al tempo stesso più blu e più deboli 35

Morfologia e luminosità E Il grado di sviluppo della struttura a spirale (grand design vs multiple arms) dipende dalla luminosità delle galassie E I sottotipi Sa-Sab-Sb-Sbc-Sc sono ben definiti solo per galassie molto luminose E La frazione di galassie irregolari cresce al diminuire della luminosità E La frazione di spirali barrate è minore tra le galassie giganti e maggiore tra le galassie nane 36

NGC 3031 Sb Grand design spiral NGC 3223 Sb Multiple-armed spiral 37

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Classificazione morfologica di van den Bergh E Introdotta da Sidney van den Bergh E Trova la sua definizione finale in A New Classification System for Galaxies (van den Bergh 1976, ApJ, 206, 883) E Nota anche come classificazione DDO (David Dunlap Observatory) E Adotta le classi di luminosità I = supergiganti (M pg =-20.2, H 0 =100 km/s/mpc), II = giganti brillanti (-19.4), III = giganti (-18.2), IV = subgiganti (-17.3), V = nane (-15) 39

van den Bergh: classi di luminosità NGC 1232 Sc I M33 (NGC 598) Sc II-III 40

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Cetus Sph Sextans A Irr NGC205 (M110) de5 43

van den Bergh: tipi morfologici van den Bergh distingue le galassie secondo due parametri: E assenza/presenza del disco - ellittiche (E) - galassie a disco (S0,A,S) E abbondanza di gas nel disco S0 = no gas, A = poco gas, S = molto gas e le colloca lungo cosiddetto diagramma a tridente 44

E van den Bergh suddivide ulteriormente le galassie a disco in base - al rapporto disco-bulge nelle sottoclassi a,b,c a D/B = 1-3, b D/B = 3-10, c D/B > 10 - alla presenza della barra S = no barra, S(B) = barra debole, SB = barra - alla forma dei bracci * = irregolari, n = omogenei, t = effetti mareali E Le irregolari (Ir) vengono poste dopo le spirali ricche di gas 45

van den Bergh: diagramma a tridente Sferoidi Dischi Lenticolari Anemiche Spirali D/B 1-3 3-10 >10 46

NGC 3115 S0a NGC 2855 Aa NGC 2775 Sa 47

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Van den Bergh: punti critici E Ha il vantaggio di definire i sottotipi a, b, c su basi quantitative E I sottotipi a, b, c sono ben definite solo per galassie supergiganti e giganti, mentre per le galassie meno luminose possono essere suddivise solo in primi tipi (early) e tipi avanzati (late) E La distinzione tra galassie a spirale di tipo avanzato e irregolari magellaniche dovrebbe essere fatta sulla base della presenza o meno di un nucleo E Richiede analisi fotometrica delle immagini 49

Classificazione morfologica di Morgan E Introdotta da William W. Morgan E Esposta in A Preliminary Classification of the Forms of Galaxies according to their Stellar Populations I (1958, PASP, 70, 364) e II (1959, PASP, 71, 394) E Applicata a 608+642 galassie E Nota anche come classificazione di Yerkes 50

Morgan distingue le galassie secondo tre parametri: E concentrazione di luce centrale che correla con lo spettro integrato a (poco concentrate), af, f, fg, g, gk, k (molto concentrate) E forma E = ellittica, S = spirale, B = spirale barrata, I = irregolare Ep = E con polvere, R = a simmetria di rotazione ma senza evidenze di struttura a spirale o ellittica, D = con nucleo ellittico immerso in un alone esterno, L = bassa brillanza superficiale, N = nucleo brillante E rapporto assiale Morgan: tipi morfologici 1 (circolare), 2, 3, 4, 5, 6 51

NGC 4459 ke3 NGC 3115 kd7 NGC 3031 gks4 NGC 4643 kb1 NGC 4449 ai NGC 147 L 52

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Morgan: punti critici E Ha il vantaggio di dipendere da un singolo parametro che correla con le popolazioni stellari ed è facilmente misurabile anche ad alto redshift E La distinzione tra E e D non è sempre chiara 54

Classificazioni morfologiche delle galassie normali 55

NGC 4486 (M87) Hubble = E1 de Vaucouleurs = E1pec van den Bergh = E1 Morgan = ke1 NGC 224 (M31) Hubble = Sb de Vaucouleurs = SA(s)b van den Bergh = Sb I-II Morgan = ks5 56

NGC 5457 (M101) Hubble = Sc de Vaucouleurs = SAB(rs)cd van den Bergh = Sc I Morgan = fs1 Grande Nube di Magellano Hubble = Irr I de Vaucouleurs = SB(s)c van den Bergh = Ir III-IV Morgan = afi2 57

Galassie non classificabili E 2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr E Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti NGC 5128 S0+S pec NGC 4038/39 Sc (tides) 58

Classificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov E Introdotta da Vorontsov-Velyaminov e Krasnogorskaja nel 1962 E Descritta e illustrata nel Morphological Catalog of Galaxies E Applicata a 29000 galassie E È una classificazione puramente descrittiva 59

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Classificazione morfologica delle galassie peculiari e interagenti di Arp E Introdotta da Halton Arp E Riguarda le galassie con morfologie disturbate e peculiari che non rientrano nello schema di Hubble/ Sandage/de Vaucouleurs E Descritta e illustrata in Atlas of Peculiar Galaxies (1969) E Applicata a 338 oggetti (galassie, coppie, gruppi) 61

Arp: tipi morfologici 62

Arp 2 (DDO 204) LSB Arp 25 (NGC 2276) heavy arm Arp 78 (NGC 772) small HSB comp Arp 145 associated ring 63

Arp 227 (NGC 474) concentric rings Arp 244 (NGC 4038/39) fission Arp 271 (NGC 5426/27) connected arms 64 Arp 329 chain of galaxies

Arp: punti critici E Molte delle galassie sono peculiari perché sono interagenti (o hanno recentemente interagito) con un compagno cf. http://www.youtube.com/watch?v=lxy3b2k47qg (Hubble captures colliding galaxies) E Alcuni oggetti sono galassie nane di tipo avanzato ma non sono peculiari (No. 2-5). Forse sono state scambiate per tali solo perché appaiono più caotiche di quelle più luminose 65

Morfologia nel Gruppo Locale E La Via Lattea e` una galassia a spirale SBbc E Nel Gruppo Locale ci sono molte galassie irregolari e nane 66

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Limiti delle classificazioni morfologiche Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble, de Vaucouleurs, Vorontsov-Velyaminov, van den Bergh, Arp): E si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini (lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR) E sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e banda passante delle immagini analizzate E dipendono dai criteri di classificazione adottati 72

M81 73

M81 (NGC 3031) UV Ottico IR 74

Approfondimenti E E. P. Hubble, Extragalactic nebulae, 1926, ApJ, 64, 321 E A. Sandage, The Hubble atlas of galaxies, 1961, Carnegie Institution, Washington E G. de Vaucouleurs, Classification and morphology of external galaxies, 1959, Hand. der Physik, 53, 273 E S. van den Bergh, A new classification system for galaxies, 1976, ApJ, 206, 883 E W. W. Morgan, A preliminary classification of the form of galaxies according to their stellar population, 1958, PASP, 70, 364 E A. Arp, Atlas of peculiar galaxies, 1966, ApJS, 14, 1 E A. Sandage, J. Bedke, The Carnegie atlas of galaxies, 1994, Carnegie Institution, Washington E P. B. Nair, R. G. Abraham, A catalog of detailed visual morphological classification for 14,034 galaxies in the Sloan Digital 75 Sky Survey, 2010, ApJS, 186, 427