Formazione delle
Strutture Cosmiche
Stefano Borgani
Dipartimento di Fisica
Universita’ di Trieste
(INAF & INFN - Trieste)
1. Le domande fondamentali della cosmologia moderna
2. Perche’ affrontarle con osservazioni dallo spazio?
3. Con quali strumenti ?
Presentazione basata su:
"Studio su tematiche e modelli nel campo della cosmologia e fisica
fondamentale dallo spazio” (2004-2009)
"Feasibility study on High Energy Astrophysics: fields of interest and
perspectives for the national community” (2004-2009)
“Piano lungo termine (PLT) INAF” (2008-2018)
Talk @ ASI Workshop, Roma, 2 & 16 Dicembre 2009
Il Contenuto in materia ed energia dell’Universo
CMB
Sn-Ia
Ammassi di
galassie
Lensing
gravitazionale
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Distribuzione delle
galassie
L’impronta di DM e DE sull’evoluzione cosmica
 Piccole disomogeneita’
iniziali (CMB)
 Amplificazione
gravitazionale
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 Formazione di prime
piccole strutture
(galassie)
 Formazione di strutture
piu’ grandi (ammassi) per
“merging”
La distribuzione di galassie su grande scala
Mappa dell’Universo vicino dalla Sloan
Digital Sky Survey (~ 500.000 galassie)
Domande fondamentali:
 Quale impronta lasciano
DM e DE sull’evoluzione
del’Universo?
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Percival et al. 09
 E’ necessario ripensare
la natura della gravita’ ?
 Quale meccanismo ha
generato nell’Universo
primordiale i “semi” per
formare le galassie?
Crescita delle strutture cosmiche: la distribuzione di galassie
Guzzo et al. 07: crescita
delle perturbazioni dai
moti peculiari delle
galassie
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Perche’ dallo spazio?
 Spettroscopia: qualita’,
profondita’, stabilita’,
velocita’ non ottenibili da
terra
Percival et al. 09
 Lensing: qualita’ e
stabilita’ di “imaging” non
ottenibili da terra
Ammassi di galassie
Strumenti per cosmologia e laboratori di astrofisica
Abell 1689
Presente (in banda X):
~1000 ammassi da ROSAT
nell’Universo locale (z<0.2)
~ 40 ammassi distanti (z>0.5)
+ Osservazioni con Chandra
& XMM
Forte comunita’ italiana
 Eredita’ di Beppo-SAX !!
SB et al. 01
Cosa e’ richiesto per il futuro?
Sensibilita’ ~103 Chandra/XMM:
 tracciare il ciclo dei barioni
cosmici fino a 1/3 dell’eta’
dell’Universo
 tracciare ad alta precisione
l’evoluzione delle strutture
cosmiche
Crescita delle strutture cosmiche: gli ammassi di galassie
SB
& Guzzo
01 09
Andreon
et al.
Perche’ dallo spazio?
 X-ray:Con Dark Energy
1. Non accessibile da terra
2. Dettagliate infos su stato
fisico e dinamico
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JCKS-041:
X-ray + ottico ; zphot~1.9
 L’ammasso piu’ distante
confermato in banda X
 Ottico da terra:
1. Spettroscopia inefficiente
Senza Dark
Energy
2. Incompletezza
statistica
 Sunyaev-Zeldovich da
terra:
1. Scarsa risoluzione spaziale
2. Contaminazione
3. Limitata spettroscopia
Ammassi distanti: traccianti sensibili dei costituenti dell’Universo
Le prime galassie e la fine delle “Dark Ages”
~ 2 x108 yr dopo il Big Bang:
comparsa di prime stelle e BH
~ 4x108 yr: primi episodi
significativi di arricchimento in
metalli dell’Universo
< 109 yr: l’Universo e’
completamente re-ionizzato
Domande fondamentali:
 Come si formano le prime
galassie a partire dal gas
primordiale?
 Quali sono le sorgenti
responsabili della reionizzazione?
La storia di formazione delle galassie
Formazione cosmologica di una
“Milky Way” (credit F. Governato)
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Formazione di galassie da
“merging” continuo di
strutture piu’ piccole.
 Quali sono le tracce di
questo “merging” nella
popolazione stellare della
Galassia?
Con quali
strumenti?
GAIA: tracciare la storia di formazione della Galassia
Missione ESA: lancio 2012
Classe “M”
Combinazione di astrometria,
fotometria e spettroscopia
Obiettivo scientifico primario:
 Origine della Galassia
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1. Posizioni, velocita’ e composizione
chimica di ~109 stelle
2. Ricostruzione di struttura e
dinamica della Galassia
Coinvolgimento italiano per:
 Sistemi di calcolo per
archiviazione dati
 Validazione astrometria
 Supporto analisi dati
James Webb Space Telescope (JWST)
the “First Light Machine”
2.2 arcmin
Lanciatore
(Ariane5)
NIRSpec
MIRI
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> 15 %
Tempo di
osservazione
NASA top priority
• “deployable telescope” 6.6 m
•  = 0.6-28 m
• Costo: 4 billion $
• ~ 100 piu’ sensibile di HST &
Spitzer
• Lancio: 2014
Obiettivo scientifico primario:
 Prime galassie formate
alla fine delle “Dark Ages”
Nessun supporto da ESA
per analisi dati:
 Supporto da ASI
assolutamente necessario!!
SPICA
SPace Infrared telescope for
Cosmology and Astrophysics
“Medium Size”: selezionata da
ESA Cosmic Vision per Fase A:
partecipazione a missione con
leadership JAXA
 Telescopio di 3.5 m
 Imaging e spettroscopia nel
medio/lontano infrarosso
Tra gli obiettivi scientifici:
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 Formazione ed evoluzione delle
galassie: formazione stellare “dust
hidden”
 Dischi protoplanetari
Partecipazione ESA per SAFARI
(FIR imaging spectrometer)
Partecipazione italiana attraverso il
Consorzio SAFARI
EUCLID: il primo telescopio spaziale ottico Europeo
Missione “Medium Size”
selezionata da ESA Cosmic
Vision per Studio di Fase A
Merging di SPACE + DUNE
 Telescopio di 1.2 m
Obiettivo scientifico principale:
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Rivelare la natura di Materia ed
Energia Oscure dalla struttura ed
evoluzione dell’Universo
Strumenti:
 Distribuzione delle galassie da
survey spettroscopica
 Lensing gravitazionale cosmico
da “imaging survey”
EUCLID (II)
PI-ship italiana per la
componente spettroscopica
(EUCLID-NIS)
Slitless spectrograph
(baseline)
A. Cimatti (Univ. Bologna)
Slitless: > 6 x 107 redsh. (0.5<z<2.0)
DMD: > 2 x 108 redsh. (0<z<2.5)
 DMD: Baseline nel proposal
originale (SPACE)
 Notevole impatto sulla scienza
 Considerato “opzione” da ESA
DMD
spectrograph
(option)
 Opportuno che ASI difenda
EUCLID-NIS da “descoping”!!
Il futuro delle survey in banda X
WFXT
Wide Field X-ray Telescope - WFXT
Medium Class Mission
Obiettivo: Survey “soft X” su tutto il cielo con
sensibilita’ simile ai campi profondi (~ 1 sq.
deg.) di Chandra & XMM.
 Il primo telescopio X disegnato per survey
 Alta priorita’ negli studi ASI FS di HEA e
COFIS, INAF PLT
 Sottomesso alla US Astro-2010 Decadal
Survey
 Notevole contributo italiano (supportato da
ASI) per:
- Sviluppo tecnologico (specchi)
ROSAT
WFXT z>1
XMM, Spitzer @ z>1
- Definizione del caso scientifico
R. Giacconi (Premio Nobel 2002): “La mia
migliore idea su un telescopio da costruire.”
Alcune considerazioni programmatiche
Strategia coerente perseguita dalla comunita’ italiana impegnata
nella ricerca su “Formazione di Strutture Cosmiche”
1. Natura di Materia ed Energia Oscure e le leggi fondamentali
dell’Universo:
 partecipazione a missioni per survey ottiche/near-IR e X
(EUCLID, WFXT, GAIA)
2. Come si sono create le galassie?
 partecipazione a missioni di grande sensibilta’ (JWST, IXO, SPICA)
3. Stretta collaborazione con comunita’ di CMB, AAE, teorico/numerica
e astroparticellare.
L’Italia ha un ruolo primario (da mantenere) per:
 Proposizione e definizione del caso scientifico
 Sviluppo tecnologico ed implementazione
 Sfruttamento scientifico dei dati osservativi