Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Andrea Lapi Dip. Fisica, Univ. degli Studi di Roma “Tor Vergata”, Italy Astrophysics Sector, SISSA, Trieste, Italy
[email protected]
A. Lapi Lapi (UniRoma A. (UniRoma2) 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 Padre
delle
moderne
Astronomia e Fisica. 400 anni fa ricostruisce e migliora
il
cannocchiale.
Nell' Ottobre 1609 lo punta verso il cielo.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 Ottobre 1609: osserva la Luna, vede e disegna montagne, crateri, … come la Terra, una rivoluzione culturale!
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 Puntando
Giove,
scorge
4
stelline, che cambiano posizione di notte in notte. Le
interpreta
come
satelliti
rotanti attorno a Giove, nuovi corpi celesti: oggi “Medicea Sidera”
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 Stampa nel Marzo 1610 “Il Messaggero Astronomico” 29
pagine
scoperte
annunciano che
avviano
varie l’
Astronomia moderna. Fra queste: “Est enim GALAXIA nihil aliud, quam
innumerarum
Stellarum
congeries …”
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 ”Quello che osservammo è l’essenza o materia del Cerchio LATTEO, il quale attraverso il cannocchiale si può vedere in modo così palese, che tutte le discussioni che per tanti secoli hanno travagliato i filosofi si dissipano con la certezza della sensata esperienza. La GALASSIA infatti non è che un ammasso di stelle innumerevoli, disseminate a mucchi; in qualunque parte si rivolga il cannocchiale sempre si offre alla vista un grandissimo numero di stelle, molte delle quali si vedono abbastanza grandi e ben distinte, mentre la moltitudine delle più piccole è del tutto inesplorabile”. Una tale composizione era discussa in precedenza come opinione tra le altre; Galilei ne da’ una prova certa e riproducibile Via Lattea (Galassia) = sistema stellare A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Galileo Galilei 1564 - 1642 Oggi sappiamo: 1 galassia ~ 1011 stelle (=105 cerebrali! conosciamo ~106
milioni) ~ neuroni
galassie, prevediamo x105 = 1011
nell’Universo visibile. Es., M31 nella costellazione di Andromeda.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Immanuel Kant 1724 -1804 Educazione anche in Matematica, Astronomia e Fisica Newtoniana. Interesse continuo e attivo per l’Astronomia: “Due cose riempiono l' animo di ammirazione
e
venerazione:
il
cielo stellato sopra di me e la legge morale dentro di me”. 1755,Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels: A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Immanuel Kant 1724 -1804 “Abbiamo visto con stupore nel Cielo figure, le quali altro non sono che sistemi di stelle fisse proiettati su un piano comune, Vie Lattee per cosi’ dire; esse mostrano figure ellittiche in posizioni diverse rispetto all’occhio, con splendore fortemente indebolito dalla loro enorme distanza”.
Si tratta di galassie comparabili alla Via Lattea, e molto distanti. Oggi parliamo di: Astrofisica Extragalattica
A. Lapi (UniRoma 2)
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Il “MedioEvo” dell' Astronomia E invece, nel seguente secolo e mezzo la nozione si sfilaccia e si perde: galassie e nubi di gas
interne alla Via Lattea sono
accomunate come “nebulose” (nebulae). Cosi’ nel 1905 la storica dell’Astronomia A. M. Clerke riecheggiava l’opinione prevalente tra gli Astronomi: “The question whether nebulae are external galaxies hardly any longer needs discussion. It has been answered by the progress of research. No competent thinker, with the whole of the available evidence before him, can now, it is safe to say, maintain any single nebula to be a star system of coordinate rank with the Milky Way”. Ma la “evidence” era distorta da selezione osservativa (“bias”). A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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Il “MedioEvo” dell' Astronomia La polvere nel disco della Via Lattea oscura le “nebulose”, salvo quelle situate vicino alla verticale. Quelle visibili sembravano connesse con la Via Lattea, quindi ad essa associate, interne.
Via Lattea Sistema Solare A. Lapi (UniRoma 2)
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Il “Rinascimento” dell' Astronomia Fino al 31 Dicembre 1924 nessuno sapeva cosa realmente fossero le ”nebulae”. Il 1 Gennaio 1925 tutti lo seppero!
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Il “Rinascimento” dell' Astronomia Infatti, il 1 Gennaio 1925 (nella XXXIII Riunione della American Astronomical
Society
cominciata
a
fine
Dicembre
1924)
l’astronomo americano Edwin P. Hubble fece comunicare un risultato cruciale: la ”Nebulosa” M31 in Andromeda era un sistema stellare ben esterno e simile alla nostra Galassia.
Col
nuovo telescopio da 100 pollici (2.5 m), Hubble aveva
identificato in Andromeda alcune Cefeidi, stelle variabili periodiche già note nella Via Lattea (per es. la Polare), con alta luminosità intrinseca L ~ 104 Lsole.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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Il “Rinascimento” dell' Astronomia Ne misuro’ il flusso F al telescopio. Uso’ Lambert:
e
la nota relazione di
L F = 4π D2
determino’ la distanza D ~ 800 000 anni luce
>>
diametro
della Galassia, gia’ noto essere attorno a 30 000 anni-luce. Con questo, provo’ che Andromeda era esterna e comparabile alla Via Lattea:
una intera galassia!
Sappiamo oggi che la determinazione di Hubble era troppo piccola di un fattore 3, e che Andromeda è più grande della Via Lattea; la conclusione e’ semmai rafforzata! A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “vicino”
La scoperta di Hubble ci ha aperto l’Universo delle galassie. La Via Lattea è una galassia media, in cui il Sole è una stella media fra altre 2 1011 (200 miliardi). La sua massa ammonta a 2 1011 Msole cioè 200 miliardi di masse solari. Ma i moti circolari ed oscillatori delle stelle la tengono in equilibrio contro la gravità: un sistema stabile; ogni stella contribuisce alla gravità che trattiene le altre. La Via Lattea è una galassia a spirale. In realtà ne esistono di 2 tipi:
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “vicino” Spirali
~ Via Lattea, M31, M81 (in
figura,
a
12
milioni
di
anni-luce,
com’era 12 M anni fa). Gravità bilanciata dalla rotazione. Formazione
stellare
attiva...stelle
giovani, blu! Oggi il 50% del totale. Ellittiche ~ M87 (in figura, 100 volte > Via Lattea, distante 60 M anni-luce, com' era 60 M anni fa). Gravità bilanciata dalla agitazione. Formazione
stellare
assente
da
tempo...stelle vecchie, rosse! Oggi il 40% del totale. A. Lapi (UniRoma 2)
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L' Universo “vicino” Al centro di tutte le galassie ellittiche (ma anche di molte spirali, compresa la Via Lattea) si trova un buco nero di massa 106-109 Msole, ovvero da 1 milione ad 1 miliardo di masse solari. Un buco nero è un oggetto così massivo e compatto da originare una attrazione gravitationale
estrema,
tanto
che
niente può sfuggirvi, neanche la luce. Tali buchi neri si pensa siano i motori dei
quasars,
fenomeni
astrofisici
estremamente energetici. A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
L' Universo “lontano” Le galassie segnano l’espansione dell’Universo (ancora Hubble, 1929):
S
R = “Raggio” dell' Universo
D
S
S R
S
R˙ v= D= HD R con H = costante di Hubble
Nel viaggio la luce delle galassie si arrossa λ ~ R(t) Redshift cosmologico z = ∆λ/λ
per cui
Re / Ro = 1/(1+z)
Per es. una delle piu’ distanti galassie oggi rivelate ha z = 7.6, ed emise in un Universo ~10 volte piu’ piccolo. A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” I telescopi moderni (quali il VLT, Very Large Telescope) hanno specchi con φ ~ 8 -10 m. Raccolgono luci ~ 10 - 100 milioni di volte piu’ deboli di quelle Galileiane, e vedono lontano.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” L’ ammasso di galassie A2218: z = 0.2, distanza 3 G a-l.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
L' Universo “lontano” Il
Telescopio
Spaziale
Hubble ha guardato a lungo un
“vuoto”…
e
sono
apparse migliaia di galassie primordiali,
arrossate
dal
redshift.
Una di esse addirittura ha z = 5.4, pari a 12.9 G anniluce e 0.8 G anni dal Big Bang! A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” Per andare oltre, “telescopio cosmico” a lenti gravitazionali. Secondo la Relativita’ Generale, i raggi di luce provenienti da una galassia lontana vengono curvati e amplificati da un ammasso antistante.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” Il
telescopio
cosmico
di
amplifica una delle galassie
A1689 piu’
lontane oggi (dal 2008) note: z = 7.6, distanza D = 13 G a-l. Nel viaggio, la luce e` spostata dal redshift a λ molto rosse. Emessa in Universo con Re = Ro/(1+z) = 0.12 Ro
Visibile A. Lapi (UniRoma 2)
Rosso
Infrarosso Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” Notare che più l' ammasso interposto è massivo, più l' immagine delle galassie lontane viene amplificata e distorta. Ciò consente di misurare la “massa gravitazionale” dell' ammasso. Sorprendetemente
la
materia
che
vediamo
(in
varie
bande,
specialmente ottica e raggi X) è solo ~ 15% della massa che contribuisce alla gravità: maggior parte della massa è oscura! Questa Materia Oscura (“Dark Matter”) è presente anche nelle galassie (specialmente le spirali), dove è pure gravitazionalmente dominante e garantisce l' equilibrio del sistema. La natura della Materia Oscura è ancor oggi un mistero! A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” Tecniche del lensing gravitazionale sempre più avanzate: oggi, grazie al satellite submillimetrico HERSCHEL abbiamo scoperto galassie di alto redshift lensate da altre galassie più vicine.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
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L' Universo “lontano” Galassie spirali: sono a redshift z<1.5, con formazione stellare moderata ma continua sino ad oggi, a livelli di 1-10 MSole per anno. Galassie ellittiche: sono già formate a redshift z~1.5 , “rosse ed inerti” cioè con formazione stellare terminata.
I loro progenitori osservati sino a z<~6, con masse stellari di 10 10-11 MSole già ricche di elementi pesanti, e con vigorosa formazione stellare di 102-3 MSole per anno, fortemente oscurata da abbondanti grani di polvere interstellare.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
L' Universo “lontano” I tempi brevi disponibili da z~6 verso il Big Bang richiedono un iniziale collasso rapido, che infatti è recentemente confermato da dettagliate
e
pesanti
simulazioni
numeriche su supercalcolatori. Come si sia poi spenta la formazione stellare e spazzata la polvere costituisce un tema
caldo
della
ricerca
attuale;
una
distinta possibilità che abbiamo proposto coinvolge l' intervento distruttivo di potenti quasar centrali. A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” L' osservatorio spaziale Herschel è stato lanciato nel Maggio 2009; è alto 7.5 m e largo 4 m, del peso al lancio di 4.5 ton; ha uno specchio primario da 3.5 m. E' situato in orbita attorno al punto stabile L2, a 1.5 milioni di km dalla Terra. Ha capacità di imaging e spettrofotometria alle lunghezze d' onda FIR e submm (100160-250-350-500 micron), con detectors raffreddati vicino allo zero assoluto. Tempo di vita: minimo 3 anni di operazioni scientifiche di routine (iniziate nel 2010). A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
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Osservare l' Universo “lontano” L' Astrophysical Terahertz Large Area Survey è il più esteso progetto astronomico operato
su
Herschel
(collaborazione
internazionale di 150 co-I, incluso A. Lapi). 600 ore a disposizione per una survey estesa su un' area di 550 gradi quadrati; è ottimizzata la sovrapposizione con altre survey (GALEX, SDSS, GAMA, VIKING ...). Sono stati resi pubblici nel 2011 i dati della Science Demonstration Phase (area di 16 gradi quadrati, 1/30 del totale): catalogo di 6800 oggetti, di cui 2400 hanno controparti ottiche nella Sloan Digital Sky Survey. A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” Galassie
di
alto
hanno
violenta
redshift
z>1.5
attività
formazione stellare,
di
ratei >100
Msun/yr, in un ambiente polveroso. La polvere assorbe la radiazione UV emessa dalle stelle giovani e la reirradia nell' IR, con un picco attorno a 100 micron restframe. Nel suo viaggio verso di noi questa radiazione
viene
redshiftata
a
100*(1+z)>250 micron, proprio la finestra spettrale di Herschel! A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” Le
cosiddette
galassie
protosferoidali sono molto brillanti nel submm. Scoperte alla fine degli anni '90 da osservazioni a 850 micron, si ritiene siano i progenitori delle odierne galassie ellittiche. Hanno un redshift alto z>1.5, con un picco della relativa distribuzione attorno
a
z~3.
Costituiscono
sorgenti estremamente rilevanti per testare modelli di formazione ed evoluzione galattica.
A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” Le
galassie
protosferoidali
dominano i conteggi a 500 micron per flussi >30 mJy. I loro conteggi estremamente ripidi implicano che: ●
I ratei di formazione stellari
siano enormi >100 Msun/yr in un ambiente molto polveroso; ●
La formazione stellare sia
improvvisamente dopo
~
0.7
arrestata Gyr
Galassie spirali a z<1.5 Galassie protosferoidali a z>1.5
dalla
formazione, probabilmente a causa
del
feedback
energetico da quasar ospiti. A. Lapi (UniRoma 2)
+ profondo = + locale Lapi et al. 2011, in prep. Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” Nel campo della SDP, le 5 sorgenti non locali con flussi a 500 micron maggiori di 100 mJy, sono galassie lensate di alto redshift (confermato spettroscopicamente). Questo dimostra che surveys submm su area estesa possono facilmente rivelare
eventi
di
lensing
gravitazionale forte, con efficienza vicina al 100%.
A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano”
Diversamente dalle lenti scoperte nell' ottico, non c'è interferenza tra lente e sorgente, perchè la prima ha una SED piccata nell' ottico, la seconda nel FIR/submm. A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Osservare l' Universo “lontano” Stiamo elaborando un metodo per identificare
galassie
protosferoidali
lensate anche a flussi a 500 micron <100 mJy. I primi risultati indicano che in
SDP
potremmo
identificare
comodamente ~25 galassie lensate. Ciò implicherebbe identificare in tutto H-ATLAS ~1000 galassie lensate. Con questi numeri si può persino pensare di fare Cosmologia, ed in particolare studiare la natura della evasiva energia oscura che causa la presente accelerazione dell' Universo. A. Lapi (UniRoma 2)
Roma, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Dal semplice al complesso Verso il principio: WMAP nel 2003 (e PLANCK oggi) misura i semi delle galassie a 380.000 anni dal Big Bang.
Raggio Universo R ~ 10-3 R0, a 13.7 Ga
Universo oggi, Raggio R0 tempo t0
nel passato, T = 3000 K , irregolarita’
T = 2.73 K, irregolarita’ ∆ρ /ρ >
∆T/T ~ 10-5, equilibrio termodinamico.
107 , teq ~ 1013 t0. Universo freddo,
Universo caldo, levigato, semplice.
irregolare (lensing), complesso.
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Dal semplice al complesso Evoluzione dell' Universo, da semplice a complesso lungo la freccia del tempo... Situazione diversa dalla termodinamica dei sistemi locali, che per il II principio evolvono dal complesso al semplice (entropia S cresce). Esempio “quotidiano”:
t acqua + ghiaccio ∆ρ, ∆T complesso A. Lapi (UniRoma 2)
acqua piu’ fredda ∆ρ, ∆T = 0 semplice Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Dal semplice al complesso Ma allora l' Universo viola il II principio della temodinamica? No, non è sistema isolato, per via dell' espansione cosmologica e delle condensazioni gravitazionali. Strutture cosmiche (galassie, pianeti, etc.) si diramano dal sistema Universo sotto l' azione della gravità locale.
Vita?
A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Dal semplice al complesso Quali luoghi privilegiati per lo sviluppo della vita? -)
Galassie
a
z>1.5
(progenitori
delle
ellittiche
attuali)?
No!
Violentemente star-forming, oscurate da polvere, povere in elementi pesanti, affette da esplosioni di supernova e attività di quasar potenti, spesso in interazione gravitazionale con altre galassie. -) Galassie ellittiche a z<1.5? Forse...formazione stellare terminata o molto lieve, ricche in metalli però povere di gas e polveri, stelle soggette a rapidi moti randomici e frequenti “collisioni”. -)
Galassie
spirali
(dischi)
a
z<1.5?
Certo!
Formazione
stellare
moderata, ricche di gas, presenza localizzata di polvere, ambienti quieti! A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Dal semplice al complesso Quanto tempo a disposizione per lo sviluppo della vita? Redshift/Età dell' Universo
Big Bang
z~6 ~1 Gyr
z~1.5 ~4 Gyr
Oggi z=0 ~14 Gyr
z~0.5 ~9 Gyr Galassie ellittiche
Galassie primordiali
Galassie spirali (dischi)
Sistema Solare A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
Riferimenti bibliografici Per approfondire: ➢
Cavaliere & Lapi, “Frecce del Tempo”, in Acta 2007, Ist. Acc. Di Roma, ed. Il Velcro,
67
➢
Cavaliere & Lapi, “L' Universo, Eredità di Galilei”, 2010, in Libro dell' Anno 2009, ed.
Ist. Enc. Treccani, 203
➢
Negrello & The H-ATLAS team, “The Detection of a Population of Submillimeter-Bright,
Strongly Lensed Galaxies”, 2010, Science, 330, 800
➢
Lapi & The H-ATLAS team, “Herschel Galaxy Number Counts and High-Redshift
Luminosity Functions: The Formation of Massive Early-Type Galaxies”, Astrophysical Journal, 742, 24
Grazie per l' attenzione! A. Lapi (UniRoma 2)
Rome, January 2012
