Transcript le stelle
NGC 346
La fisica stellare come “stele di Rosetta” per “l’archeologia” delle popolazioni stellari galattiche
1
Struttura della Galassia
60000 parsec 200000 anni luce 1 pc ≈ 3.26 anni luce ≈ 3 10 13 km 2
200000 anni luce
Ricostruzione della Via Lattea vista dall’alto
3
LA VIA LATTEA IN INFRAROSSO La Via Lattea osservata in infrarosso dal satellite COBE
4
Sun Milky Way structure Globular cluster Open cluster Disk structure
Possiamo comprendere la storia della formazione della nostra galassia?
GLI AMMASSI STELLARI
Insiemi di stelle (da circa 1000 ad 1000000) con composizione chimica ed eta’ praticamente identiche ma con massa diversa
formatesi dal collasso di una stessa nube interstellare Gli ammassi della nostra galassia si dividono in due tipi : AMMASSI GLOBULARI ED AMMASSI APERTI con caratteristiche morfologiche, fotometriche, chimiche e dinamiche diverse che indicano una diversa storia evolutiva
6
Principali osservabili stellari: luminosità e temperatura superficiale
Luminosità: energia totale emessa dalla stella per unità di tempo 7
Temperatura
→
direttamente collegabile al colore della stella
8
NGC 290
9
Ammassi Globulari
Insieme di 100000-1000000 stelle disposte con simmetria sferica
Assenza di gas e polveri interstellari Ammasso globulare NGC 2808
10
Le stelle più luminose sono di colore arancio-rosso Ammasso globulare M55 11
Ammasso globulare M80
12
Ammasso globulare M15
13
Ammasso globulare M4
14
COMPOSIZIONE CHIMICA L’idrogeno e’ l’elemento piu’ abbondante nell’Universo In generale la materia stellare ed interstellare e’ costituita per oltre il 97% da H ed He
composizione chimica degli ammassi globulari: scarsa abbondanza di elementi piu’ pesanti dell’elio (0.001 0.0001 grammi in un grammo di materia stellare)
15
Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia
16
Ammassi aperti
100-10000 stelle disposte in configurazione irregolare
Presenza di gas e polveri interstellari
Distribuiti sul disco della Galassia
composizione chimica: piu’ ricchi degli ammassi aperti in elementi stellare)
Ammasso aperto M 6 17
L’ammasso aperto M7
Le stelle più luminose sono di colore bianco-blu 18
L’ammasso aperto delle Pleiadi ….”ma oltre alle stelle di sesta grandezza si vedrà col cannocchiale un così gran numero di altre, invisibili alla vista naturale, che appena è credibile: se ne possono vedere infatti più di quante ne comprendano le altre sei diverse grandezze…(Galileo Galilei, Sidereus nuncius, 1610)”
19
Ammasso aperto NGC 6791 20
Ammasso aperto M 7 21
Ammasso aperto NGC 4755 22
Gli ammassi aperti mostrano moti circolari sul disco attorno al centro della Galassia
Gli ammassi globulari presentano moti ellittici nell’alone
23
Globular clusters versus open clusters
Mass : ~ 10 5 – few 10 6 solar masses Metallicity (Z): ~ 0.0001-0.004
Age: > 10 Gyr Number (Milky Way) ~150 Mass : ~ 10 2 – ~ 10 4 solar masses Metallicity (Z): ~ 0.01-0.03
Age: Myr-few Gyr Number (Milky Way) ~2000 Galactic population: halo, thick disk, bulge Galactic population: thin disk Orbite ~ ellittiche Orbite ~ circolari
Open cluster are weakly gravitationally bounded mean lifetime < 1 Gyr no more present in the halo
Prima di interpretare gli ammassi stellari occorre capire il funzionamento delle stelle...
26
Evoluzione stellare: le stelle “nascono”, “vivono” e “muoiono” cambiando nel tempo le loro caratteristiche fisiche
Come nascono le stelle?
27
Le stelle nascono all’interno di una nube di gas interstellare...
28
La quasi totalità delle stelle nasce in gruppo…
30
31
32
Nebulosa “testa di cavallo” in Orione
33
Formazione stellare Orione
34
35
FORMAZIONE STELLARE IN M 16
36
37
Una stella in formazione raggiunge l’equilibrio quando la pressione del gas controbilancia la forza di autogravitazione che tenderebbe a farla collassare su se stessa
38
• La stella è in equilibrio però è calda e quindi irraggia • Irraggiando perde energia
la pressione del gas diminuisce
contrazioni tra stati di “quasi equilibrio”
39
• I tempi evolutivi in questa fase sono guidati dal tempo di trasporto del calore nella stella: tempi scala termodinamici circa 10 milioni di anni
40
Quando si ferma la contrazione?
Quando la stella raggiunge temperature tali da innescare le reazioni di fusione nucleare che forniscono l’energia necessaria a rimpiazzare le perdite per irraggiamento
41
Fusione nucleare Due o più nuclei si fondono insieme in un nucleo la cui massa è inferiore a quella dei nuclei reagenti
la differenze di massa si libera sotto forma di energia
42
Come funziona?
Le stelle sono sistemi controreazionati positivamente: l’efficienza delle reazioni nucleari controbilancia esattamente le perdite per irraggiamento La stella è in equilibrio: la pressione del gas caldo controbilancia la forza di gravità e l’energia per irraggiare è fornita dalle reazioni nucleari
43
… Si accendono le reazioni nucleari… Fine dell’evoluzione stellare?
NO : man mano che la stella fa fusioni nucleari la quantità di combustibile diminuisce
la stella adesso evolve su tempi scala di consumo del combustibile nucleare (tempi scala nucleari)
44
Quanto sono questi tempi scala nucleari?
….Dipende dalla massa della stella..…piu’ la stella e’ massiccia piu’ e’ calda e luminosa e piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare Stelle massicce
calde e luminose
tempi di vita brevi Il Sole impiegherà 10 miliardi di anni ad esaurire l’H al centro mentre una stella di 15 masse solari ne impiega 10 milioni
45
Stelle massicce
calde e luminose
tempi di vita brevi
Along the main sequence, more massive stars are brighter and hotter but have shorter lifetimes 46
QUAL’E’ LA SPIEGAZIONE DELLE CARATTERISTICHE OSSERVATE?
Stelle grandi
calde e luminose
tempi di vita brevi Una stella e’ in equilibrio tra la forza gravitazionale e la pressione del gas caldo che la costituisce L’energia per mantenere calda la stella e’ fornita dalle reazioni nucleari Piu’ la stella e’ grande piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare
47
DEDUZIONI
Gli ammassi aperti contengono stelle blu
sono ammassi giovani
Gas e polveri nel disco Galattico
formazione stellare ancora attiva
Gli ammassi globulari sono ammassi piu’ antichi in cui le stelle piu’ grandi (blu) sono gia’ “morte”
La forma sferica degli ammassi globulari indica che e’ stato raggiunto l’equilibrio tra le interazioni gravitazionali delle stelle componenti
ammassi antichi
Alone privo di gas
formazione stellare ormai inibita
48
COMPOSIZIONE CHIMICA Gli elementi piu’ pesanti dell’elio vengono prodotti SOLO all’interno delle stelle per mezzo di fusioni nucleari ed immessi nello spazio interstellare grazie ai venti stellari e soprattutto all’esplosione delle stelle massicce (>10 Mo) alla fine della loro vita (supernovae)
49
DEDUZIONE
Gli ammassi globulari sono ammassi di “prime generazioni” (popolazione II) formatesi da materia originata dalla nucleosintesi primordiale ed elaborata da poche generazioni stellari precedenti
Gli ammassi aperti sono ammassi formatesi da materia “riciclata” da numerose generazioni stellari precedenti e poi reimmessa nelle nubi interstellari (popolazione I)
50
ESISTE UNO SCENARIO DI FORMAZIONE DELLA GALASSIA CHE INTERPRETI LE OSSERVAZIONI?
51
Tutto risolto? No!..restano numerosi problemi aperti...
Ci sono forti indicazioni che l’alone della nostra galassia abbia catturato galassie nane.....
L’ammasso globulare Omega Centauri 54
Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri Marino et al. (2011)
55
.....potrebbe essere il nucleo di una galassia nana catturata dall’alone galattico Omega Centauri ... Il puzzle però non è ancora completo! 56
Le stelle negli ammassi globulari: stelle sorelle o gemelle monozigote?
?
57
Fino a meno di una decina di anni fa si riteneva che tutte le stelle di un ammasso si fossero formate in tempi brevi rispetto all’età dell’ammasso stesso da una stessa nube interstellare.
Tutte le stelle di un ammasso erano supposte quindi avere piu’ o meno la stessa età e composizione chimica (ma massa diversa) cioè essere stelle gemelle monozigote
58
Adesso invece sappiamo che gli ammassi globulari ospitano almeno due popolazioni stellari nate in tempi diversi e con composizioni chimiche diverse!
L’ipotesi più plausibile è che le stelle di seconda generazione si siano formate principalmente da materiale espulso dalle stelle di prima generazione
le stelle di seconda generazione sono le sorelle minori!
COSA C’E’ FUORI DALLA NOSTRA GALASSIA?
60
La Grande Nube di Magellano
61
L’ammasso NGC 1850 nella Grande Nube di Magellano
62
Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano
63
Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano
64
La piccola Nube di Magellano
65
.....E PIU’ LONTANO?
Galassie del gruppo locale
66
La galassia di Andromeda
67
Ammassi in Andromeda osservati con il telescopio Hubble
68
La galassia nana del Sagittario
69
La galassia nana Sextans
70
La galassia nana NGC 6822
71
La galassia nana Pegasus
72
La galassia nana Dwingeloo
73
Ammasso globulare nell’alone della galassia ellittica NGC5128 (distante 13 milioni di anni luce) uno dei piu’ distanti ammassi globulari di cui sia possibile studiare le stelle individualmente
74
.....C’E’ ANCORA MOLTISSIMO DA FARE.....PER FORTUNA!!
.......i lavori sono ancora in corso!
75
Hubble Space Telescope gallery:
http://hubblesite.org/gallery
Astronomy picture of the day archive:
http://apod.nasa.gov/apod/archivepix.html
ESO gallery:
http://www.eso.org/public/images
Ammasso globulare M4 77
Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia
78
The isochrone/synthetic cluster
(Krauss 2003)
(The theoretical counterpart of an observed cluster HR diagram)
Diagramma Colore-Luminosità per l’ammasso globulare M55
82
Perché le stelle impiegano così tanto tempo a raffreddarsi?
Perché i fotoni (che trasportano il calore) nell’interno della stella non compiono un tragitto rettilineo ma un percorso casuale a “zig-zag” interagendo con le particelle del gas stellare.
83
The Na-O anticorrelation Carretta et al. (2010) Probably GCs host at least two stellar generations • The primordial population is present in all GCs • The second generation constitutes the bulk (60 70%) of stars
Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri Marino et al. (2011)
86
...mentre
appartenenti nell’alone...
una sostanziale agli ammassi frazione globulari (Bekki et al. 2007, Baumgardt et al.2008,Helmi 2008,McLaughlin and Fall 2008) delle stelle potrebbe originariamente essersi dispersa Filled circles: field stars (Ivezic et al. 2008) Red solid lines = generalized histograms for globular clusters (Gratton R.,talk 2012)
What about open clusters?
The population of open clusters could include two groups Field disk stars Open clusters -
(Gozha et al. 2012) (Andreuzzi et al. 2012)
The bulk of disk clusters formed with the interstellar matter of the thin disk with nearly solar metallicity A fraction (<1/3) of peculiar clusters with a metallicity much lower than the mean of the thin disk e/o galactic orbits typical of objects of older Galactic subsystems
(see also Yong et al. 2005)
Merging of dwarf galaxies?