Morfologia e classificazione
delle galassie
Enrico Maria Corsini
Dipartimento di Astronomia
Università di Padova
Lezioni del corso di Astrofisica I V.O.
A.A. 2003-2004
1
Sommario
 Cenni storici
 Scopo delle classificazioni morfologiche
 Classificazione morfologica di Hubble
 Classificazione morfologica di de Vaucouleurs
 Classificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov
 Classificazione morfologica di van den Bergh
 Classificazione morfologica di Arp
 Classificazione morfologica delle galassie attive
 Classificazione delle galassie ad alto redshift
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Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804), E. Swedenborg (1688-1772),
T. Wright (1711-1786): speculazioni filosofiche sugli
universi isola
W. Herschel (1738-1822): General Catalog of
Nebulae, forma della Via Lattea
H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del
Sole
 H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche
 E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)
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Scopo delle classificazioni morfologiche
 La classificazione morfologica è il primo passo
verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad
alto redshift)
 La morfologia è correlata con molte delle proprietà
globali delle galassie (a.e. popolazioni stellari,
momento angolare, tasso di formazione stellare,
contenuto di gas, ambiente)
 Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno
degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione
ed evoluzione delle galassie
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Limiti delle classificazioni morfologiche
Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble, de
Vaucouleurs, Vorontsov-Velyaminov, [van den Bergh],
Arp):
 si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini
(lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR)
 sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e
banda passante delle immagini analizzate
 dipendono dai criteri di classificazione adottati
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 M81
6
 M81 (NGC 3031)
UV
Ottico
IR
7
Classificazione morfologica di Hubble
 Introdotta da Hubble nel 1926 (E-S-Irr)
 Perferzionata da Hubble nel 1936 (E-S0-S-Irr)
 Descritta e illustrata nel The Hubble Atlas of Galaxies
(Sandage 1961)
 Applicata a 1200 galassie del A Revised-Shapley
Ames Catalog of Bright Galaxies (Sandage & Tammann
1981)
 Trova la sua esposizione finale nel The Carnegie Atlas
of Galaxies (Sandage & Bedke 1994)
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Hubble: tipi morfologici
 È la classificazione più usata e fornisce la terminologia
di base
 Hubble distigue le galassie in quattro famiglie:
- galassie ellittiche (E)
- galassie lenticolari normali (S0) e barrate (SB0)
- galassie a spirale normali (S) e barrate (SB)
- galassie irregolari (Irr)
e le colloca lungo cosiddetto diagramma a diapason
(tuning-fork diagram)
9
M87 (NGC 4486) E0
10
NGC 3384 S0
NGC 4596 SB0
11
M63 (NGC 5055) Sb
NGC 1365 SBb
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Sextans A Irr I
M82 (NGC 3034) Irr II
13
Hubble: diagramma a diapason
14
Irr I
Irr II
Ellittiche
Lenticolari
Spirali
Irregolari
15
Hubble: galassie ellittiche
 Forma (apparente) ellittica
 Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri
 I sottotipi sono definiti sulla base dello schiacciamento
apparente (ellitticità)
En, n=0,1,…7 con n = 10 e = 10 (1-b/a)
e = 1 – b/a
b
a
16
b/a
1
0.7
0.5
0.3
1-b/a
0
0.3
0.5
0.7
tipo
E0
E3
E5
E7
17
Hubble: galassie lenticolari
 Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco
senza evidenza di bracci di spirale
 Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0)
 I sottotipi S01, S02, S03 sono definiti dalla:
- prominenza delle polveri nel disco
 I sottotipi SB01, SB02, SB03 sono definiti dalla:
- prominenza delle polveri e della barra
18
NGC 3245 S01
NGC 4111 S02
NGC 5866 S03
19
Hubble: galassie a spirale
 Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco
caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale
 Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB)
 I sottotipi Sa, Sb, Sc sono definiti da tre criteri:
- prominenza del bulge rispetto al disco
- angolo di attacco dei bracci a spirale
- risoluzione del disco in stelle, nodi, regioni HII
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Sa
Sc
• Bulge molto prominente
• Bulge poco prominente / assente
21

 = pitch angle
22
Sa
Sc
• Bulge molto prominente
• Bulge poco prominente
• Bracci molto avvolti
• Bracci poco avvolti
• Bracci poco risolti
• Bracci molto risolti
23
24
NGC 1302 Sa
NGC 2841 Sb
NGC 628 Sc
NGC 175 SBa
NGC 1300 SBb
NGC 7741 SBc
25
26
Hubble: galassie irregolari
 Poca o nessuna simmetria
 Due sottoclassi: tipo I (Irr I) e tipo II (Irr II)
- Irr I: fortemente risolte in stelle (a.e. LMC)
- Irr II: caotiche e disturbate (a.e. M82)
27
LMC Irr I
M82 (NGC 3034) Irr II
28
Successivamente vengono distinte in irregolari di
tipo magellanico (Im) e in irregolari barrate di tipo
magellanico (IBm) rispettivamente poste lungo la
sequenza delle S e delle SB
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Hubble: evoluzione storica
Irr I
Irr II
30
 Sandage (1961) introduce due ulteriori sottotipi per
segnalare la presenza di un anello (r) o dei soli bracci a
spirale (s)
31
Hubble: problemi
 La classificazione è definita su galassie prototipo di tipo
gigante e supergigante nel campo o in piccoli ammassi
 Le S0 in media sono meno luminose sia delle E che
delle Sa. Questo indica che non tutte le S0 hanno
proprietà fisiche intermedie tra ellittiche e spirali
 Le spirali barrate di tipo avanzato sono meno brillanti
delle spirali non barrate della stessa classe
 Mancano criteri oggettivi per distinguere le spirali di
tipo molto avanzato e le irregolari
 La classificazione per le spirali avanzate non distingue
chiaramente tra effetti di luminosità e di popolazione
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Classificazione morfologica di
de Vaucouleurs
 Introdotta da de Vaucouleurs nel 1959
 Estende la classificazione di Hubble
 Descritta e illustrata nel Reference Catalog of Bright
Galaxies (RC1, de Vaucouleurs et al. 1964)
 Applicata a 23000 galassie del Third Reference
Catalog of Bright Galaxies (RC3, de Vaucouleurs et
al.1991)
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de Vaucouleurs: tipi morfologici
 È una classificazione “tridimensionale”
 De Vaucouleurs distingue le galassie secondo tre
parametri:
- Sequenza morfologica principale
E-E+-S0--S0-S0+-Sa-Sb-Sc-Sd-Sm-Im
- Presenza della barra
SA = senza barra, SAB = barra debole, SB = barra
- Tre varietà
(r) = anello, (s) = prenza dei soli bracci a spirale, (rs)
e le colloca lungo cosiddetto diagramma a fuso
34
de Vaucouleurs: diagramma a fuso
35
36
de Vaucouleurs: tipo T
 La posizione di una galassia lungo l’asse principale
della classificazione può essere espressa tramite il
numero T (Hubble stage)
Hubble
E
E-S0
S0/a
de Vauc.
E
E+
S0-
S0
T
-5
-4
-3
-2
S0+ S0/a
-1
0
Sa Sa-b Sb Sb-c Sc
IrrI
Sa
Sab
Sb
Sbc
Sc
Scd
1
2
3
4
5
6
Sd Sdm Sm
7
8
9
Im
10
37
de Vaucouleurs: codici
38
39
NOME
CODICE
TIPO
NGC 4486
.E+0+P.
E+0-1 pec
NGC 4697
.E.6…
E6
NGC 3115
.L..-./
S0- sp
NGC 2855
RSAT0..
(R)S0/a(rs)
NGC 6782
RSXR1..
(R)SABa(r)
NGC 2775
.SAR2..
Sab(r)
NGC 7741
.SBS6..
SBcd(s)
NGC 3034
.I.0../
I0 sp
40
de Vaucouleurs: problemi
 I colori di SA e SB della stessa classe sono molto
simili. Questo indica che le differenze tra SA e SB non
riguardano le popolazioni stellari
 La dicotomia tra varietà (r) e (s) è un aspetto
secondario della morfologia
 La classificazione per le spirali avanzate non distingue
chiaramente tra effetti di luminosità e di popolazione.
Le spirali Sc-Sd-Sm diventano al tempo stesso più blu
e più deboli
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Classificazione morfologica di
Vorontsov-Velyaminov
 Introdotta da Vorontsov-Velyaminov e Krasnogorskaja
nel 1962
 Descritta e illustrata nel Morphological Catalog of
Galaxies
 Applicata a 29000 galassie
 È una classificazione puramente descrittiva
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43
Morfologia e luminosità
 Il grado di sviluppo della struttura a spirale (grand
design vs multiple arms) dipende dalla luminosità delle
galassie
 I sottotipi Sa-Sb-Sc sono ben definiti per galassie
giganti e supergiganti, mentre per le galassie di bassa
luminosità si distinguono solo i casi estremi
 La frazione di irregolari cresce al diminuire della
luminosità
 La frazione di spirali barrate è minore tra le galassie
gignti e maggiore tra le galassie nane
44
NGC 3031 Sb
Grand design spiral
NGC 3223 Sb
Multiple-armed spiral
45
46
47
Classificazione morfologica di
van den Bergh
 Trova la sua definizione finale in A New Classification
System for Galaxies (vdB, 1976, ApJ, 206, 883)
 Nota anche come classificazione DDO (David Dunlap
Observatory)
 van den Bergh introduce le classi di luminosità
I = supergiganti, II = giganti brillanti, III = giganti,
IV = sub-giganti, V = nane
48
van den Bergh: classi di luminosità
NGC 1232 Sc I
M33 (NGC 598) Sc II-III
49
50
51
van den Bergh: tipi morfologici
 Distingue le galassie secondo due parametri:
- Assenza/presenza del disco
ettittiche - galassie a disco (S0,A,S)
- Abbondanza di gas nel disco
S0 = no gas, A = poco gas, S = molto gas
e le colloca lungo cosiddetto diagramma a tridente
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van den Bergh: diagramma a tridente
Lenticolari
Anemiche
Spirali
Sferoidi
Dischi
53
54
 van den Bergh suddivide ulteriormente le galassie a
disco in base
- al rapporto disco-bulge nelle sottoclassi a,b,c
a D/B = 1-3, b D/B = 3-10, c D/B > 10
- alla presenza della barra
S = no barra, S(B) = barra debole, SB = barra
- alla forma dei bracci
* = irregolari, n = omogenei t = effetti mareali
55
D/B=1-3
D/B=3-10
D/B>10
56
NGC 3115 S0a
NGC 2855 Aa
NGC 2775 Sa
57
58
Classificazioni morfologiche delle
galassie normali
59
Galassie non classificabili
 2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr
 Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti
NGC 5128 S0+S pec
NGC 4038/39 Sc (tides)
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Classificazione morfologica delle
galassie peculiari e interagenti di Arp
 Riguarda le galassie con morfologie disturbate e
peculiari che non rientrano nello schema di
Hubble/Sandage/de Vaucouleurs
 Descritta e illustrata in Atlas of Peculiar Galaxies
(1969)
 Applicata a 338 oggetti (galassie, coppie, gruppi)
61
Arp: tipi morfologici
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Arp 2 (DDO 204) LSB
Arp 78 (NGC 772) small HSB comp
Arp 25 (NGC 2276) heavy arm
Arp 145 associated ring
63
Arp 227 (NGC 474) concentric rings
Arp 244 (NGC 4038/39) fission
Arp 329 chain of galaxies
Arp 271 (NGC 5426/27) connected arms
64
Classificazione (morfologica) delle
galassie attive
 Proposta da van den Bergh (1998)
 Tiene conto anche delle proprietà spettrali
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Classificazione morfologica delle
galassie ad alto redshift
 Problemi dei metodi classici di classificazione (basati
sull’ispezione visuale):
- risoluzione
- cosmological dimming (I(1+z)4)
- redshift
- k-correction
 Classificazione C-A (Abraham et al. 1994, ApJ 432, 75):
- parametro di concentrazione C = R50/R90
- parametro di asimmetria A
66
67
68
69
70
Evoluzione morfologica
SAC = Revised Shapley-Ames Catalog
MDS = Medium Deep Survey (z0.5, t5 Gyr)
HDF = Hubble Deep Field (z>0.8, t>7 Gyr)
71
 La frazione di E/S0 rimane costante al crescere di z (=
si formano a alto z)
 La frazione di S/Ir decresce al crescere di z (= le S non
si sono ancora assemblate all’epoca dell’HDF)
 La frazione di galassie peculiari cresce al crescere di z
(= galassie in interazione)
72
 A z=0 la frazione di SB varia tra 30% (B) a 70% (NIR)
 La distinzione S/SB (= tuning fork) vale per z<0.5
 La frazione di SB decresce al crescere di z (= dischi
troppo giovani/caldi per sviluppare la barra)
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HDF 2-86 proto-S?
HDF 2-86
HDF 3-312
HDF 3-312 proto-S
HDF 2-243 merging
HDF 4-105 SB?
HDF 2-243
HDF 4-105
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 Grado di interazione: w=0 nessuna distorsione, w=1
possibile distorsione, w=2 code mareali, w=3 forte
interazione, w=4 merging
 La frazione di galassie interagenti/merging cresce al
crescere di z (= building blocks)
75
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