Formazione ed Evoluzione delle Galassie:

un problema di archeologia cosmica

Francesca MatteucciDipartimento di FisicaUniversita’ 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 evoluzione chimica

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 Iasu 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 1.5-2.0miliardi 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 cosmologiaNon sappiamo quale sia la natura della

maggior parte della materia oscuraNon sappiamo cosa sia la “dark energy”Dobbiamo capire la formazione ed

evoluzione delle galassieC’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 sonoabitabili

Sono infatti in gran parte pianeti gassosi troppovicini alla stella

Stiamo pero’ cominciando a scoprire sistemiplanetari extrasolari con almeno un pianeta nellazona abitabile

Tuttavia quelli scoperti finora non sono di tipoterrestre

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