A3 - Principi di Astrofisica

Le Galassie 1

3 Principi di Astrofisica Le Galassie Un po’ di storiaClassificazioneProprietà generali!!!

I Primi Cataloghi di GalassieGrazie all’utilizzo del cannocchiale inventato da Galileo, nel XVIII secolo è ormai ben nota l’esistenza delle nebulose (nebulae). Oggetto di discussione diventano ben presto le nebulose a “spirale”.Attorno al 1750 Thomas Wright e Immanuel Kant sono i primi a speculare che le nebulose a spirale siano sistemi di stelle come la Via Lattea, collocati a grande distanza da essa (island-universe hypothesis). Charles Messier nel periodo 1758-1782 compila il suo catalogo di ~100 oggetti nebulari.Il Catalogo di Messier contiene nebulose galattiche (es. nebulosa del Granchio M1, nebulosa di Orione) e galassie esterne (es. galassia di Andromeda, M31).Anche William, Carolin e John Herschel nel periodo 1786-1864 pubblicano a più riprese cataloghi con migliaia di oggetti nebulari .

Oggetti nel Catalogo di Messier

I Primi Cataloghi di Galassie

John Dreyer nel 1888 pubblica il “New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars”.

Contiene nebulose galattiche, ammassi di stelle e galassie. Gli oggetti vanno da NGC 1 a NGC 7840 (es. galassia M87 è NGC 4486, M31 è NGC 224, ecc.)

Nel periodo 1895 - 1908 pubblica due edizioni del “Index Catalogue of Nebulae”. Oggetti IC 1 fino a IC 5836.

The Great Astronomy DebateNel 1918 Harlow Shapley propone il suo modello della Via Lattea: le sue dimensioni sono ritenute così grandi che non possono che racchiudere tutto l’universo.Le nebulose a spirale devono essere strutture interne alla nostra Galassia ma altri astronomi guidati da Heber Curtis non sono d’accordo.Nel 1920 viene svolto un dibattito davanti all’Accademia Nazionale delle Scienze a Washington, “the great astronomy debate”.

Quali sono le distanze delle spirali? Le spirali sono composte di gas o stelle?Perché le spirali “evitano” il piano della Via Lattea?

Gran parte degli argomenti addotti a sostegno dell’ipotesi di Shapley erano sofisticati ma sbagliati perché non consideravano bene errori osservativi e/o l’estinzione da polvere. H. Shapley H. Curtis

La controversia fu risolta nel 1923 da Edwin Hubble che identificò una variabile Cefeide in M31 (Andromeda) e ne stimò la distanza con la relazione Periodo-Luminosità ottenendo D=285 kpc.Troppo distante per essere nella nostra Galassia anche con le dimensioni esagerate di Shapley!Il valore moderno è ~ 770 kpc = 2.5×106 lyr

The Great Astronomy Debate

Cefeidi

Henrrietta LeavittScoperta del 1908

Galassie a Spirale

barra

Sono caratterizzate da:sferoidi (bulge) nucleari relativamente piccoli con stelle di popolazione II e stelle vecchie di popolazione I;dischi con braccia a spirale ricche di gas e polvere, con formazione stellare in corso e stelle giovani di popolazione I.

Spirali barrate:sono i ~2/3 di tutte le spirali;hanno sferoidi nucleari con una struttura allungata a “barra” dai cui estremi si dipartono le braccia a spirale.

Galassie EllitticheEllittica gigante

M87: E1

Ellittica M59: E5

Le galassie ellittiche:sono costituite principalmente da uno sferoide;sono prive di dischi, hanno poco gas e polvere e nessuna formazione stellare in corso;le stelle sono in gran parte di popolazione II.

La forma delle isofote delle galassie ellittiche sul piano del cielo varia da perfettamente circolare a fortemente ellittica.

Galassie Irregolari e Peculiari

Irregolari: la Grande Nube di Magellano

Peculiari: la galassia "Antenna"

Le galassie Irregolari non hanno un bulge riconoscibile o delle braccia a spirale. Sono un mix caotico di gas, polvere e stelle (popolazione I).

Spesso sono galassie “satelliti” (→ Grandi Nubi di Magellano).Spesso sono in interazione con dei compagni ed hanno una grossa formazione stellare(→ galassia “Antenna”).

La classificazione di HubbleMoti “caotici” Rotazione

Sferica

Diagramma a “Forchetta” di Hubble

Ellittica schiacciata

Bulge grande, braccia a spirale molto avvolte

Bulge piccolo, braccia a spirale poco avvolte

Spirali Barrate

Spirali Normali

Irregolari

Ellittiche

Galassie Lenticolari

o

Le S0/SB0 sono intermedie, con sferoide e disco ma nessuna struttura a spirale.

Non è sequenza evolutiva!

Tipi di GalassieEllittiche: E

distribuzione di luce regolare di forma ellissoidaleLenticolari: S0

sferoide centrale (bulge; simile a galassia ellittica) e disco senza braccia a spirale

Lenticolari Barrate: S0Bsferoide centrale, barra e disco senza braccia a spirale o presenza di polvere evidente (dust lanes).

Spirali Normali: S o SAsferoide centrale e disco con braccia a spirale

Spirali Barrate: SBsferoide centrale, barra e disco con braccia a spirale

Irregolari: Irrnessuna struttura regolare riconoscibile

Ellittiche e Lenticolari costituiscono le galassie “Early Types” in contrasto con le spirali (Late types).La sequenza delle spirali è stata estesa da de Vaucouleurs ai tipi Sd-Sm.

Il numero che caratterizza un’ellittica è N = int[10 (1-b/a)].Non esistono ellittiche con N > 7 (ovvero non esistono E8, E9 ecc.).Questo schema non tiene conto della forma vera dell’ellittica che è un ellissoide tridimensionale (in genere oblato o triassiale):Sfera: a=b=cSferoide oblato a=b>cSferoide prolato a=b < cSferoide triassiale a>b>c

Le Galassie EllitticheM89 (NGC 4552): E0 M49 (NGC 4472): E4 M5 (NGC 4621): E5

ab

c

Oblato: a = b > c Prolato: a = b < c

Classificazione delle Spirali rivista da de Vaucouleurs

Estensione tipi “late”:Sd = disegno spirale piu’ confuso di ScSm = simile a Magellanic SpiralIm = Irregular Magellanic

Introduzione tipi intermedi: Sab, Sbc, Scd, Sdm (+analoghi per SB)

Introduzione spirali debolmente barrate: SAB

Galassie con anelli interni S(r) ed esterni (R)S

M91: SBbNGC1073: SBc

M99: ScNGC 1068: SbNGC 7217: Sab

NGC 4650: SBa

NGC 3115: S0

NGC 936: SB0

Bulge/Disco: grande piccolo“Avvolgimento” della spirale: grande piccolo“Definizione” della spirale: poca molta

Le Galassie a Spirale

S0/SB0: nessun braccio a spirale.

Le Galassie IrregolariSmall Magellanic CloudLarge Magellanic Cloud

NGC 1313

IC 5252

Ellittiche, Spirali e IrregolariGalassie Ellittiche:MB da -8 a più di -23;masse da 107 a 1013 M☉;diametri da alcuni ~0.1 kpc ad alcuni ~100 kpc.Oltre alle ellittiche normali esistono:

galassie centrali di ammassi (cD; fino a d~1 Mpc, MB~-25 e M~1014 M☉);ellittiche nane (dE), deboli e diffuse, non sono “solo” piccole, hanno proprietà strutturali distinte;dwarf spheroidals (dSph), minimo in MB, solo satelliti della Milky Way (difficili da vedere);dE e dSph, non hanno rotazione ordinata.

Galassie a Spirale:MB da -16 a meno di -23;masse da 109 a 1012 M☉;

diametri dei dischi da 5 a 100 kpc;Lbul/Ldisk ~0.3 (Sa) → ~0.05 (Sc).

!!!!!

Irregolari:MB da -13 a -20;

masse da 108 a 1010 M☉; diametri da 1 a 10 kpc.

Blue Compact Dwarfs (BCD’s) piccole,molto blu (stelle giovani e basse metallicita’)Morfologicamente a volte Irregolari o dSph

Ellittiche, Spirali e Irregolari

Classificazione di Hubble “rivista”.

Localmente, per galassie mediamente brillanti:

~ 70% spirali~ 30% ellittiche/S0< 3% irregolari.

1/3 SA

1/3 SAB1/3 SB

Morfologia: Early Late

Colore: Rosso Blue

Popolazionestellare: Vecchia Giovane

MezzoInterstelare:

Caldo e raref.(raggi X)

Freddo e denso(HI, H2)

Formazionestellare ~ 0 ~ alcune M☉/yr

Metallicita’ >~ Z☉ ~ < Z☉

Dinamica: Alto svBasso Vrot

Basso svAlto Vrot

Proprietà di una galassiaÈ possibile ottenere spettri ed immagini di una galassia a tutte le lunghezze d’onda (dal radio ai raggi X).Si possono quindi avere due tipi di osservazioni complementari per misure quantitative:!Fotometria (da immagini)

morfologia (→ braccia a spirale, barre, bulge → classificazione di Hubble; presenza di reddening, interazione con altre galassie ecc.)fotometria (→ profili di brillanza -> luminosità della galassia e delle sue componenti, raggi scala → SED spectral energy distributions)!

Spettroscopia (da spettri)cinematica del gas e delle stelle (→curve di rotazione, dispersione di velocità, ecc.)popolazioni stellari (→ storia di formazione stellare → evoluzione)condizioni fisiche del gas (→ meccanismo di ionizzazione → sorgente ionizzante)