Post on 10-Nov-2018
Formazione ed Evoluzione delle Galassie:
un problema di archeologia cosmica
Francesca MatteucciDipartimento di FisicaUniversita’ di Trieste
La Via Lattea
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)
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
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?
I moderni telescopi: VLT
Veduta di Paranal
Hubble Space Telescope
Il centro galattico
La Via Lattea vista di taglio
La vera immagine della Via Lattea
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
Anatomia della Via Lattea
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
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
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
La fusione dell’H: catena protone-protone
La fusione dell’He
Bruciamenti avanzati
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
Evoluzione stellare
Nucleosintesi
Supernova 1987A
Supernova Ia in una Galassia Spirale
La morte di stelle come il Sole: Nebulose Planetarie
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 Iasu tempi scala dell’ordine dei miliardi di anni
I rapporti alfa/ferro ed altri rapporti possono venire usati come orologi cosmici
Tempi di formazione dai rapporti di abbondanze chimiche
Deduciamo che la durata della fase di alone e disco spesso non puo’essere maggiore di 1.5-2.0miliardi 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
Un possibile scenario
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
I rapporti[alfa/Fe]
Ellittiche ed Irregolari
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
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
Dark Matter Pie: la composizione dell’Universo
Problemi aperti in cosmologiaNon sappiamo quale sia la natura della
maggior parte della materia oscuraNon sappiamo cosa sia la “dark energy”Dobbiamo capire la formazione ed
evoluzione delle galassieC’e’ altra vita nel cosmo? (1000 e piu’
esopianeti sono stati scoperti)
La maggior parte dei pianeti scoperti finora dal telescopio spaziale Kepler (piu’ di 1700) non sonoabitabili
Sono infatti in gran parte pianeti gassosi troppovicini alla stella
Stiamo pero’ cominciando a scoprire sistemiplanetari extrasolari con almeno un pianeta nellazona abitabile
Tuttavia quelli scoperti finora non sono di tipoterrestre
Alcune grandi surveys del presente e del futuro
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)
I mastodonti del presente e del futuro
ALMA (Atacama Large Millimeter Array) nel deserto di Atacama in Cile, Europa, USA e Giappone- 2012
60 radiotelescopi da 12 metri di diametro che catturano informazioni sulle prime stelle e le prime galassie
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