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11
Morfologia e fotometria delle galassie
Enrico Maria CorsiniDipartimento di Astronomia
Università di Padova
Lezione V del progetto educativo per le scuole superioriIl cielo come laboratorio
Liceo Curiel PadovaA.S. 2003-2004
22
Sommario
Cenni storici
Classificazione morfologica delle galassie
a. Classificazione morfologica di Hubble
Fotometria di oggetti estesi (= galassie)
a. Brillanza superficiale, isofote, luminosità e magnitudini, raggio equivalente ed efficace
b. Profili radiali di brillanza superficiale
c. Forma delle isofote
d. Profili fotometrici delle galassie
e. Decomposizioni fotometriche
33
Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea
I. Kant (1724-1804): speculazioni filosofiche sugli universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole
H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
Cenni storici
44
55
66
Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea
I. Kant (1724-1804): speculazioni filosofiche sugli universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole
H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
Cenni storici
77
88
99
Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea
I. Kant (1724-1804): speculazioni filosofiche sugli universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole
H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
Cenni storici
1010
1111
1212
Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea
I. Kant (1724-1804): speculazioni filosofiche sugli universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole
H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
Cenni storici
1313
1414
NGC 6369
NGC 5236 (M83)
1515
Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea
I. Kant (1724-1804): speculazioni filosofiche sugli universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole
H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
Cenni storici
1616
1717
1818
Le Cefeidi sono un tipo di stelle variabili per cui è nota una relazione tra il periodo di variabilità e la magnitudine assoluta
M = – 2.8 log P –1.4
1919
Immaginiamo che Hubble abbia misurato
m = 20.0 mag P = 10 giorni
M = – 2.8 log P –1.4 = – 2.8 log (10) –1.4 = – 2.8 –1.4 = – 4.2 m – M = 20.0 – (– 4.2) = 24.2
m – M = 5 log (d/10) = 5 log d – 5 log (10) = 5 log d – 5m – M + 5 = 5 log d(m – M + 5)/5 = log d
(m–M+5)/5 (24.2+5)/5 29.2/5d = 10 = 10 = 10 = 691830 pc = 700 kpc
M31 dista 700 kpc da noi Il diametro della Via Lattea è circa 30 kpc
M31 è un oggetto esterno alla Via Lattea
m = 20.0 mag P = 10 giorni
M = – 2.8 log P –1.4 = – 2.8 log (10) –1.4 = – 2.8 –1.4 = – 4.2 m – M = 20.0 – (– 4.2) = 24.2
m – M = 5 log (d/10) = 5 log d – 5 log (10) = 5 log d – 5m – M + 5 = 5 log d(m – M + 5)/5 = log d
(m–M+5)/5 (24.2+5)/5 29.2/5d = 10 = 10 = 10 = 691830 pc = 700 kpc
2020
La varietà delle forme delle galassie può essere ricondotta a pochi “tipi” (=classificazione morfologica)
La classificazione morfologica è il primo passo verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad alto redshift)
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)
Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione ed evoluzione delle galassie
Classificazione morfologica delle galassie
2121
M87 (NGC 4486) E0
2222
NGC 3384 S0 NGC 4596 SB0
2323
M63 (NGC 5055) Sb NGC 1365 SBb
2424
Sextans A Irr I M82 (NGC 3034) Irr II
2525
Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble):
si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini (lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR)
sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e banda passante delle immagini analizzate
dipendono dai criteri di classificazione adottati
La classificazione morfologica descrive la distribuzione della luce (e quindi delle stelle) nelle galassie (=fotometria qualitativa)
Limiti delle classificazioni morfologiche
2626
M81
2727
Lo spettro di una stella dipende dalla sua temperatura. Più una stella é calda, più la sua luce è blu.
Lunghezza d’onda (nm)
2828
M81 (NGC 3031)
UV Ottico IR
2929
È la classificazione più usata e fornisce la terminologia di base
Hubble distigue 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)
Classificazione morfologica di Hubble
3030
Irr I
Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari
Hubble: diagramma a diapason
Irr II
3131
Forma (apparente) ellittica
Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri
I sottotipi sono definiti sulla base dello schiacciamento apparente (ellitticità)
En, n=0,1,…7 con n = 10 e = 10 (1-b/a)
Hubble: galassie ellittiche
b
a
e = 1 – b/a
3232
b/a 1 0.7 0.5 0.3
1-b/a 0 0.3 0.5 0.7
tipo E0 E3 E5 E7
3333
Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco senza evidenza di bracci di spirale
Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0)
I sottotipi S01, S02, S03 sono definiti dalla:
- prominenza delle polveri nel disco
I sottotipi SB01, SB02, SB03 sono definiti dalla:
- prominenza delle polveri e della barra
Hubble: galassie lenticolari
3434NGC 5866 S03
NGC 3245 S01 NGC 4111 S02
3535
Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale
Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB)
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
Hubble: galassie a spirale
3636
Sa
• Bulge molto prominente
Sc
• Bulge poco prominente / assente
Galassie “di taglio” (= molto inclinate)
3737
Sa
• Bulge molto prominente
• Bracci molto avvolti
• Bracci poco risolti
Sc
• Bulge poco prominente
• Bracci poco avvolti
• Bracci molto risolti
Galassie “di faccia” (= poco inclinate)
3838
3939
NGC 1302 Sa NGC 2841 Sb NGC 628 Sc
NGC 175 SBa NGC 1300 SBb NGC 7741 SBc
4040
4141
Poca o nessuna simmetria
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)
Hubble: galassie irregolari
4242
LMC Irr I M82 (NGC 3034) Irr II
4343
Galassie non classificabili 2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr
Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti
NGC 5128 S0+S pec NGC 4038/39 Sc (tides)
4444
Nel Gruppo Locale ci sono molte galassie irregolari e nane
Ad alto redshift ci sono molte galassie peculiari
Morfologia nel Gruppo Locale e ad alto redshift
4545
4646
4747
molto luminose e massicceM=1014 M
(M= 2 x1030 Kg)
poco luminose e massicceM=107 M
4848
4949
La frazione di E/S0 rimane costante al crescere di z (= si formano a alto z)
La frazione di S/Ir decresce al crescere di z (= le S non si sono ancora formate 7 Gyr fa)
La frazione di galassie peculiari cresce al crescere di z (= galassie in interazione, le galassie grandi si formano assemblando galassie piccole)
oggi 5 Gyr fa 7 Gyr fa
5050
La fotometria delle galassie pone la classificazione morfologica su basi quantitative e permette di:
confrontare dimensioni, luminosità (e masse) di galassie diverse (purché se ne conosca la distanza)
capire la forma intrinseca (3D) delle galassie
discriminare le singole componenti luminose di una galassia (bulge, disco, barra, …)
Fotometria delle galassie
5151
Per ciascun punto di una sorgente luminosa estesa si definisce come
brillanza superficiale =
I = F/
è la BS in unità lineari (e.g. L pc-2)
= -2.5 log I + costante
è la BS in unità di magnitudine (i.e. mag arcsec-2)
[B =25 significa SB = 25 mag arcsec-2 in banda B]
flusso
angolo solido unitario
Brillanza superficiale
5252
F L / 4D2 L
A / D2 4 A
la BS non dipende dalla distanza (nell’universo locale):
A,L
D
I = = =
F = flusso misurato dall’osservatoreL = luminosità della sorgenteA = area della sorgenteD = distanza dall’osservatore = angolo solido sotteso dalla sorgente
F
5353
Un’isofota unisce tutti i punti con la stessa BS
1’
N
E
B=16.78 B=21.28
10”
NGC 1291 ha due barre
Isofote
5454
BS residua (=la galassia si estende oltre i limiti dell’immagine)
Falsi colori (=isofote)
Imisurato(r) = Igalassia(r)+Icielo(r)
5555
Il diametro isofotale è il diametro a cui viene raggiunto un particulare livello di BS
N
E
1’ For NGC 1291
D25=10’= 6.4 kpc
D25 è il diametro dell’isofota a cui B =25 mag arcsec-2 (dopo aver corretto per inclinazione ed estinzione)
5656
Se I(r,) è la BS in P(r,) allora la luminosità totale LT è:
Se le isofote sono circolari LT è:
La magnitudine totale mT è:
Luminosità e magnitudine totale
5757
P (r,) I (r,)
x
y
rr
dA = 2r dr
dL = I dA = 2 I r dr
L = I dA = 2 I r dr
dA=r dr d
dL = I dA = I r dr d
L = I dA = I r dr d
P(r) I (r)
r
5858
Il raggio equivalente r* di una isofota di area A è il raggio del cerchio di area A:
La luminosità integrata L(r*) entro r* è la luminosità emessa entro l’isofota di raggio equivalente r*:
Il raggio efficace re corresponde alla isofota che racchiude metà della luce della galassia
Raggio equivalente ed efficace
5959
A = r*2
r*A
A = ab
b
a
r*
A = r*2
r*=ab
r*=A/
6060
Descrivono l’andamento della BS in funzione della distanza dal centro
Profili radiali di brillanza superficiale
6161
I profili “foldati” sono ottenuti come:
I(|X|)=I(X)+I(-X)
2
1. profilo foldato lungo la barra principale
2. profilo foldato lungo la barra secondaria
6262
profilo radiale di BS di NGC 1291 in funzione di r*
il profilo radiale di BS in funzione di r* descrive la distribuzione di luce di una galassia nel suo complesso
6363
In genere le isofote hanno forma ellittica
isofota
ellisse interpolata
Forma delle isofote
6464
(x0,y0)E
Ogni isofota è definita da:
livello della BS:
coordinate del centro: x0,y0
lunghezza dei semiassi: a,b
PA del semiasse maggiore: PA
PAN
NGC 4278
PA varia
6565
PA
e=1-b/a
6666
Il “twist” delle isofote è una prova della triassialità delle galassie ellittiche.
6767
disky a4>0
boxy a4<0 NGC 5322
NGC 4660
6868sferoide disco
senza barra
barra
Estende lo schema di Hubble introducendo il concetto di galassia disky/boxy nella sequenza delle ellittiche
boxy disky
disco
Classificazione di Kormendy e Bender
6969
Decomposizioni fotometriche
Permettono di derivare la distribuzione di luce delle singole componenti di una galassia
Le nostre ipotesi sono che
Imisurato(r) = Ibulge(r)+Idisco(r)+ … Ibulge(r) e Idisco(r) sono descritti da leggi parametriche Imisurato(r) è il profilo radiale di BS in funzione di r*
7070
Legge di de Vaucouleurs (o r1/4)
Descrive il profilo radiale di SB delle galassie ellittiche e dei bulge delle galassie a disco
È una retta nel piano r1/4 -
Ie (o e) = SB efficace
re = raggio efficace
7171
M87 (NGC 4486) E0
7272
1”
r103
14
I106
e=22.25
raggio efficace: re=56.6”
sky=22.7
SB efficace:
22’
7373
= – 2.5 log I + costante
galassia – cielo = = –2.5 log Igalassia + costante – (–2.5 log Icielo + costante ) = = –2.5 log Igalassia + costante + 2.5 log Icielo – costante = = –2.5 log (Igalassia / Icielo )
– (galassia – cielo)/2.5 = log (Igalassia / Icielo )
log (Igalassia / Icielo ) = –0.4 (galassia – cielo)
–0.4 (galassia – cielo) –0.4(28-22.7) –2.12Igalassia / Icielo = 10 =10 =10 Igalassia / Icielo = 0.008
Imisurato(r) = Icielo(r) + Igalassia(r) = 1000 + 8 = 1008
Il segnale della galassia è 8 millesimi di quello del cielo
7474
Brillanza superficiale del cieloBrillanza superficiale del cielo
7575
Legge esponenziale (o di Freeman) Descrive il profilo radiale di SB dei dischi
È una retta nel piano r-
I0 (o 0) = SB centrale
h = raggio di scala
7676
M63 (NGC 5055) Sb
7777
SB centrale:
0=21.9
raggio di scala: h =43.0”
sky
(h)=0+1.086
7878
disco esponenziale
bulge r1/4
bulge+disco
dati
7979
A volte un modello con un bulge r1/4 bulge+disco esponenziale è una “buona” descrizione delle osservazioni
B/D=0.28 B/T=0.22 B/D=1.51 B/T=0.60
B = bulge, D = disco, B+D = T = totale
8080
NGC 7013
modello=bulge+disco+anello+lente
disco esponenziale
bulge r1/n
dati
anello
lente
A volte un modello con un bulge r1/4 bulge+disco esponenziale è insufficente
8181
B/T correla con il tipo di Hubble, la frazione di luce dovuta al bulge decresce passando da Sa a Sb a Sc (=morfologia quantitativa)
B = 50%
B = 30%
B = 15%
8282
no gas
molto gas
D/B 1-3 3-10 >10
Classificazione morfologica di van der Bergh
Morfologia quantitativa