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)
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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)
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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)
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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)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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)
Rome, January 2012
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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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Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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
Nascita ed Evoluzione delle Galassie
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