Matteucci

Formazione ed Evoluzione
delle Galassie:
un problema di archeologia
cosmica
Francesca Matteucci
Dipartimento di Fisica
Universita’ 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
chimica
evoluzione
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 Ia
su 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 1.5-2.0
miliardi 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 cosmologia
 Non sappiamo quale sia la natura della
maggior parte della materia oscura
 Non sappiamo cosa sia la “dark energy”
 Dobbiamo capire la formazione ed
evoluzione delle galassie
 C’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 sono
abitabili
 Sono infatti in gran parte pianeti gassosi troppo
vicini alla stella
 Stiamo pero’ cominciando a scoprire sistemi
planetari extrasolari con almeno un pianeta nella
zona abitabile
 Tuttavia quelli scoperti finora non sono di tipo
terrestre
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