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
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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
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 e’ fatto 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
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quelle che trasformano H in He (catena p-p e ciclo
CNO)
A cui seguono le reazioni del ciclo 3-alpha : 3
particelle alpha (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+ alpha
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’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
• Nane bianche in sistemi binari esplodono come
Supernovae di tipo Ia e producono la maggior parte del
Fe
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
• Non possono essere i principali mattoni galattici!
• Cio’ contrasta con la teoria del “clustering
gerarchico” che prevede che le galassie piu’ grandi
si formino per fusione di oggetti piu’ piccoli
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
• La aggior parte della materia oscura e' di natura
sconosciuta
• Non sappiamo cosa sia la “dark energy”
• Dobbiamo capire la formazione ed evoluzione
delle galNon sappiamo quale sia la natura della
massie
• C’e’ altra vita nel cosmo?
Le grandi surveys del futuro
• Herschel (lontano infrarosso e sub-mm) e’ stato
lanciato in Maggio 2009 (formazione galattica e
mezzo interstellare) insieme a Planck (microonde,
radiazione cosmica di fondo)
• GAIA (astrometria di precisione di stelle
Galattiche, lancio 2013)
• JWST (vicino infrarosso, lancio 2013, galassie
lontanissime)
• SIM (ottico, lancio 2015, astrometria, pianeti
extrasolari)
Cosa ci aspettiamo?
• Di misurare le distanze di 11 milioni di stelle con
una precisione < 1% (GAIA, SIM)
• Di capire meglio la formazione delle galassie, la
distribuzione della materia oscura e l’evoluzione
chimica delle galassie (Herschel, JWST)
• Di studiare sempre piu’ in dettaglio i pianeti
extrasolari e la vita nello spazio (GAIA, SIM)
• 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 futuro
• ALMA (Atacama
Large Millimeter
Array), Europa, USA
e Giappone- 2012
• 60 radiotelescopi da
12 metri di diametro
che cattureranno
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, 2016
• Telescopio ottico con un
specchio da 42 metri di
diametro!
• Catturera’ la luce
dell’universo primordiale
meglio di HST