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
