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La fisica stellare come “stele di Rosetta” per “l’archeologia” delle popolazioni stellari galattiche

NGC 346

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Struttura della Galassia

1 pc ≈ 3.26 anni luce ≈ 3 1013 km

60000 parsec 200000 anni luce

3Ricostruzione della Via Lattea vista dall’alto

200000 anni luce

La Via Lattea osservata in infrarosso dal satellite COBE

LA VIA LATTEA IN INFRAROSSO

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Milky Way structure

Disk structure

Globular cluster

Sun

Open cluster

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GLI AMMASSI STELLARI

Insiemi di stelle (da circa 1000 ad 1000000) con composizione chimica ed eta’ praticamente identiche ma con massa diversa formatesi dal collasso di una stessa nube interstellare

Possiamo comprendere la storia della formazione della nostra galassia?

Gli ammassi della nostra galassia si dividono in due tipi :

AMMASSI GLOBULARI ED AMMASSI APERTI con caratteristiche morfologiche, fotometriche, chimiche e dinamiche diverse che indicano una diversa storia evolutiva

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Principali osservabili stellari: luminosità e temperatura superficiale

Luminosità: energia totale emessa dalla stella per unità di tempo

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Temperatura → direttamente collegabile al colore della stella

9NGC 290

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Insieme di 100000-1000000 stelle disposte con simmetria sferica

Assenza di gas e polveri interstellari

Ammassi Globulari

Ammasso globulare NGC 2808

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Le stelle più luminose sono di colore arancio-rosso

Ammasso globulare M55

12Ammasso globulare M80

13Ammasso globulare M15

14Ammasso globulare M4

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composizione chimica degli ammassi globulari: scarsa abbondanza di elementi piu’ pesanti dell’elio (0.001 - 0.0001 grammi in un grammo di materia stellare)

COMPOSIZIONE CHIMICA

L’idrogeno e’ l’elemento piu’ abbondante nell’Universo

In generale la materia stellare ed interstellare e’ costituita per oltre il 97% da H ed He

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Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia

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Ammassi aperti

100-10000 stelle disposte in configurazione irregolare

Presenza di gas e polveri interstellari

Distribuiti sul disco della Galassia

composizione chimica: piu’ ricchi degli ammassi aperti in elementi piu’ pesanti dell’elio (0.01 - 0.03 grammi su un grammo di materia stellare)

Ammasso aperto M 6

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L’ammasso aperto M7

Le stelle più luminose sono di colore bianco-blu

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L’ammasso aperto delle Pleiadi

….”ma oltre alle stelle di sesta grandezza si vedrà col cannocchiale un così gran numero di altre, invisibili alla vista naturale, che appena è credibile: se ne possono vedere infatti più di quante ne comprendano le altre sei diverse grandezze…(Galileo Galilei, Sidereus nuncius, 1610)”

20Ammasso aperto NGC 6791

21Ammasso aperto M 7

22Ammasso aperto NGC 4755

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Gli ammassi aperti mostrano moti circolari sul disco attorno al centro della Galassia Gli ammassi globulari presentano moti ellittici nell’alone

Mass : ~ 105 – few 106 solar masses

Metallicity (Z): ~ 0.0001-0.004

Age: > 10 Gyr

Number (Milky Way) ~150

Galactic population: halo, thick disk, bulge

Orbite ~ ellittiche

Globular clusters versus open clusters

Mass : ~ 102 – ~ 104 solar masses

Metallicity (Z): ~ 0.01-0.03

Age: Myr-few Gyr

Number (Milky Way) ~2000

Galactic population: thin disk

Orbite ~ circolari

Open cluster are weakly gravitationally bounded mean lifetime < 1 Gyr no more present in the halo

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Prima di interpretare gli ammassi stellari occorre capire il

funzionamento delle stelle...

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Evoluzione stellare: le stelle “nascono”, “vivono” e “muoiono” cambiando nel tempo le loro caratteristiche fisiche

Come nascono le stelle?

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Le stelle nascono all’interno di una nube di gas interstellare...

La quasi totalità delle stelle nasce in gruppo…

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Nebulosa “testa di cavallo” in Orione

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Formazione stellare Orione

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FORMAZIONE STELLARE IN M 16

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Una stella in formazione raggiunge l’equilibrio quando la pressione del gas controbilancia la forza di autogravitazione che tenderebbe a farla collassare su se stessa

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• La stella è in equilibrio però è calda e quindi irraggia

• Irraggiando perde energia la pressione del gas diminuisce contrazioni tra stati di “quasi equilibrio”

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• I tempi evolutivi in questa fase sono guidati dal tempo di trasporto del calore nella stella: tempi scala termodinamici circa 10 milioni di anni

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Quando si ferma la contrazione?

Quando la stella raggiunge temperature tali da innescare le reazioni di fusione nucleare che forniscono l’energia necessaria a rimpiazzare le perdite per irraggiamento

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Fusione nucleare

Due o più nuclei si fondono insieme in un nucleo la cui massa è inferiore a quella dei nuclei reagenti la differenze di massa si libera sotto forma di energia

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Come funziona?

Le stelle sono sistemi controreazionati positivamente: l’efficienza delle reazioni nucleari controbilancia esattamente le perdite per irraggiamento

La stella è in equilibrio: la pressione del gas caldo controbilancia la forza di gravità e l’energia per irraggiare è fornita dalle reazioni nucleari

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… Si accendono le reazioni nucleari…

Fine dell’evoluzione stellare?

NO : man mano che la stella fa fusioni nucleari la quantità di combustibile diminuisce la stella adesso evolve su tempi scala di consumo del combustibile nucleare (tempi scala nucleari)

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….Dipende dalla massa della stella..…piu’ la stella e’ massiccia piu’ e’ calda e luminosa e piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare

Stelle massicce calde e luminose tempi di vita brevi

Il Sole impiegherà 10 miliardi di anni ad esaurire l’H al centro mentre una stella di 15 masse solari ne impiega 10 milioni

Quanto sono questi tempi scala nucleari?

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Along the main sequence, more massive stars are brighter and hotter but have shorter lifetimes

Stelle massicce calde e luminose tempi di vita brevi

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Stelle grandi calde e luminose tempi di vita brevi

Una stella e’ in equilibrio tra la forza gravitazionale e la pressione del gas caldo che la costituisce

L’energia per mantenere calda la stella e’ fornita dalle reazioni nucleari

Piu’ la stella e’ grande piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare

QUAL’E’ LA SPIEGAZIONE DELLE CARATTERISTICHE OSSERVATE?

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DEDUZIONI

Gli ammassi aperti contengono stelle blu sono ammassi giovani

Gas e polveri nel disco Galattico formazione stellare ancora attiva

Gli ammassi globulari sono ammassi piu’ antichi in cui le stelle piu’ grandi (blu) sono gia’ “morte”

La forma sferica degli ammassi globulari indica che e’ stato raggiunto l’equilibrio tra le interazioni gravitazionali delle stelle componenti ammassi antichi

Alone privo di gas formazione stellare ormai inibita

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Gli elementi piu’ pesanti dell’elio vengono prodotti SOLO all’interno delle stelle per mezzo di fusioni nucleari ed immessi nello spazio interstellare grazie ai venti stellari e soprattutto all’esplosione delle stelle massicce (>10 Mo) alla fine della loro vita (supernovae)

COMPOSIZIONE CHIMICA

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DEDUZIONE

Gli ammassi globulari sono ammassi di “prime generazioni” (popolazione II) formatesi da materia originata dalla nucleosintesi primordiale ed elaborata da poche generazioni stellari precedenti

Gli ammassi aperti sono ammassi formatesi da materia “riciclata” da numerose generazioni stellari precedenti e poi reimmessa nelle nubi interstellari (popolazione I)

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ESISTE UNO SCENARIO DI FORMAZIONE DELLA GALASSIA CHE INTERPRETI LE OSSERVAZIONI?

Tutto risolto? No!..restano numerosi problemi aperti...

Ci sono forti indicazioni che l’alone della nostra galassia abbia catturatogalassie nane.....

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L’ammasso globulare Omega Centauri

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Marino et al. (2011)

Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri

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.....potrebbe essere il nucleo di una galassia nana catturata dall’alone galattico

Omega Centauri

... Il puzzle però non è ancora completo!

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Le stelle negli ammassi globulari: stelle sorelle o gemelle monozigote?

?

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Fino a meno di una decina di anni fa si riteneva che tutte le stelle di un ammasso si fossero formate in tempi brevi rispetto all’età dell’ammasso stesso da una stessa nube interstellare.

Tutte le stelle di un ammasso erano supposte quindi avere piu’ o meno la stessa età e composizione chimica (ma massa diversa) cioè essere stelle gemelle monozigote

Adesso invece sappiamo che gli ammassi globulari ospitano almeno due popolazioni stellari nate in tempi diversi e con composizioni chimiche diverse!

L’ipotesi più plausibile è che le stelle di seconda generazione si siano formate principalmente da materiale espulso dalle stelle di prima generazione le stelle di seconda generazione sono le sorelle minori!

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COSA C’E’ FUORI DALLA NOSTRA GALASSIA?

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La Grande Nube di Magellano

62L’ammasso NGC 1850 nella Grande Nube di Magellano

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Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano

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Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano

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La piccola Nube di Magellano

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.....E PIU’ LONTANO?

Galassie del gruppo locale

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La galassia di Andromeda

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Ammassi in Andromeda osservati con il telescopio Hubble

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La galassia nana del Sagittario

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La galassia nana Sextans

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La galassia nana NGC 6822

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La galassia nana Pegasus

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La galassia nana Dwingeloo

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Ammasso globulare nell’alone della galassia ellittica NGC5128 (distante 13 milioni di anni luce) uno dei piu’ distanti ammassi globulari di cui sia possibile studiare le stelle individualmente

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.....C’E’ ANCORA MOLTISSIMO DA FARE.....PER FORTUNA!!

.......i lavori sono ancora in corso!

Hubble Space Telescope gallery:

http://hubblesite.org/gallery

Astronomy picture of the day archive:

http://apod.nasa.gov/apod/archivepix.html

ESO gallery:

http://www.eso.org/public/images

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Ammasso globulare M4

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Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia

The isochrone/synthetic cluster

(The theoretical counterpart of an observed cluster HR diagram)(Krauss 2003)

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Diagramma Colore-Luminosità per l’ammasso globulare M55

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Perché le stelle impiegano così tanto tempo a raffreddarsi?

Perché i fotoni (che trasportano il calore) nell’interno della stella non compiono un tragitto rettilineo ma un percorso casuale a “zig-zag” interagendo con le particelle del gas stellare.

• The primordial population is present in all GCs

• The second generation constitutes the bulk (6070%) of stars

The Na-O anticorrelation

Carretta et al. (2010)

Probably GCs host at least two stellar generations

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Marino et al. (2011)

Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri

...mentre una sostanziale frazione delle stelle originariamente appartenenti agli ammassi globulari potrebbe essersi dispersa nell’alone... (Bekki et al. 2007, Baumgardt et al.2008,Helmi 2008,McLaughlin and Fall 2008)

(Gratton R.,talk 2012)

Filled circles: field stars (Ivezic et al. 2008)

Red solid lines = generalized histograms for globular clusters

What about open clusters?

The population of open clusters could include two groups

(Gozha et al. 2012)

Field disk stars

- The bulk of disk clusters formed with the interstellar matter of the thin disk with nearly solar metallicity - A fraction (<1/3) of peculiar clusters with a metallicity much lower than the mean of the thin disk e/o

galactic orbits typical of objects of older Galactic subsystems (see also Yong et al. 2005)

(Andreuzzi et al. 2012)

Open clusters

Merging of dwarf galaxies?