Astrofisica delle galassie I A.A. 2005/2006 Proprietà del mezzo interstellare Mezzo interstellare (ISM) Componente Hot ICM WIM Warm HI nubi HI nubi H2 HII Regions Polveri Particelle <nH> 0.005 500,000 0.3 8,000 1: 8,000 5-20 10-100 >100 5-30 10-10000 10,000 5-60 Te fM visibilità 0.001 raggiX 0.05: Ha, righe ass. IS 0.05: HI, righe ass. IS 0.4 HI 21cm line 0.5 CO, HCN, (H2 ) 0.02 Ha, radio cont 0.01 IR, extinction radio cont, raggi- Gas Atomico • La maggior parte dell’informazione viene da misure della riga a 21cm HI – Misure “single-dish” per diverse migliaia di galassie • Flusso HI integrato --> masse HI • Profili di riga integrati --> velocità radiali, velocitià di rotazione – Mappe “aperture synthesis” • distribuzione dettagliata di HI • Curve di rotazione, campi di velocità 2D dettagliati • (galassie vicine) struttura di e tra le nubi di ISM atomiche, distribuzione di temperatura Distribuzione HI • Il gas è molto più esteso --> tipicamente RHI ~ 1.5-5 R25 – La formazione stellare è avvenuta solo in parte del disco – La cinematica HI può essere usata per tracciare il potenziale gravitazionale a grandi raggi (decine di kpc) Gruppo di M81: VLA Yun et al. 1994, Nature, 372, 530 Cinematica dell’HI • Generalmente HI ruota a velocità pressocchè costante (“curva di rotazione piatta ”) – Il profilo integrato della riga HI mostra il tipico andamento a “doppio corno” – Fornisce precise misure di velocità radiali e larghezza di riga. HI: Andamento con il tipo morfologico: • HI costituisce ~metà della massa di gas totale in una tipica galassia a spirale (vs ~50% H2) • La frazione di gas HI è funzione dell’“Hubble type” • MHI/MHI+stelle va da 0.0 0.9 andando da E Irr Roberts & Haynes 1994, ARAA, 32, 115 Gas Molecolare • La maggior parte del gas molecolare è in forma di H2, ma gas H2 freddo non ha righe di emissione osservabili. – La maggior pate dell’informazione è ricavata da transizioni rotazionali del CO in banda millimetrica, con qualche informazione aggiuntiva da isotopi del CO o da altre molecole (HCN, OH…) – La transizione principale del CO è a 2.7 mm (J = 1 --> 0) – Come nel caso HI, dati per galassie esterne si ottengono combinando tecniche “single-disk” e “aperture synthesis” • H2 è trovato in nubi fredde e massicce (>104 Mo), otticamente spesse con transizioni mm del CO. – Massa di H2 è dedotta empiricamente dalla correlazione con la luminsità CO (questa questione è ancora controversa!!) N(H2) (cm-2) ~ 3 x 1020 I(CO) (K km s-1) Distribuzione del CO • in galassie a spirale il CO tende a seguire la distribuzione delle stelle, in particolare giovani – Poco o niente CO oltre il raggio ottico • in molte galassie di piccola massa (S, Irr), CO è sistemamticamente debole rispetto alla quantitaà di stelle giovani e di HI Regan et al 2001, ApJ, 561, 218 CO: Andamento con il tipo morfologico • Il gas molecolare tende ad essere la fase dominante in galassie a spirale “early”, con una frazione di H2 che decresce per tipi più “late”, e/o galassie di piccola luminosità • Forte aumento della frazione totale di gas (atomico + molecolare) con il tipo morfologico Young & Scoville 1991, ARAA, 29, 581 Young & Scoville 1991, ARAA, 29, 581 Polvere Interstellare • Circa l’1% dell’ ISM è in forma di grani solidi che contengono il ~50% degli elementi pesanti dell’ISM • I grani assorbono circa il 40% dell’energia bolometrica di galassie nell’universo locale – È possibile studiare la polvere modellando l’estinzione osservata in banda visible e UV – I grani riemettono l’energia nel medio-infrarosso (5 - 300 m) ed è possibile mappare la struttura della polvere direttamente Emissione della polvere • Spettro integrato della nostra Galassia (sotto) come esempio dello spettro tipico di una galassia – L’emissione della polvere è più larga di quella dovuta ad una singla temperatura ed è fittata come la somma di 4 componenti: • • • • T ~ 15 K (100 - 300 mm) polvere fredda in nubi molecolari T ~ 20-30K (100-150 mm) polvere in nubi diffuse, “cirri IR” T ~ 60 K (50 mm) grani tiepidi in zone di formazione stellare T ~ 300 K (10 mm) banda PAH in emissione da piccoli grani • IR traccia la morfologia di bande di polvere, regioni di formazione stellare Cox et al. 1986, A&A, 155, 380 Bendo et al 2002, AJ, 123, 3067 H NGC 6946 Ferguson et al 1998, ApJ, 506, L19 ISO 15 m Roussel et al 2001, A&A, 369, 473 ISM ionizzata tiepida • Regioni HII – Traccia in maniera diretta la formazione stellare massiccia – Tracciata principalmente da righe di ricombinazione dell’idrogeno (H, P, Br) o da radio continuo termico • Gas ionizzato diffuso – Densità caratteristica 0.01 - 0.1 cm-3 – in spirali il gas è fotoionizzato principalmente da radiazione UV prodotta (sfuggita) da regioni HII • Galassie “early-type” (e sferoidi) possono avere una fase diffusa che è ionizzata da shocks – A volte associata con la fase diffusa neutra NGC 2841 Sb NGC 3184 Sc x Kennicutt 1998, ARAA, 36, 189 ISM calda ionizzata (coronale) • E’ tracciata principalmente dall’emissione X “soft” (bremsstrahlung (1-10 keV)) o da righe di assorbimento ad alta ionizzazione (e.g. OVI) • T ~ 3-5 x 105 K, n ~ 10-3 cm-3 – Alte temperature richiedono un riscaldamento di tipo cinetico (supernovae, venti stellari, collisioni fra nubi) • Diversi tipi di strutture – Aloni diffusi dentro/attorno E/S0 massicce, bulge – Emissione diffusa dal disco dovuta a residui di supernove, venti stellari – Fontane extraplanari, ciminiere, “superwinds” – “infalling clouds”, “cooling flows” Chandra XO Images http://www.chandra.harvard.edu NGC 4649 = M60: E2 Randall & Sarazin 2001, unpub NGC 4631: Sc Wang et al. 2001, ApJ, 555, L99 NGC 1569 Irr Martin et al. 2002, ApJ, 574, 663 Particelle relativistiche, Campi • Emissione continua radio (cm) di galassie è principalmente dovuta ad emissione non-termica di sincrotrone proveniente da elettroni relativistici nel campo magnetico della galassia – Quindi l’emissione radio (distribuzione, polarizzazione) traccia i processi ad alta energia e la struttura o forza del campo magnetico interstellare Beck 2001, Space Science Revs, 99, 243