Morfologia e fotometria
delle galassie
Enrico Maria Corsini
Dipartimento di Astronomia
Università di Padova
Lezione V del progetto educativo per le scuole superiori
Il cielo come laboratorio
Liceo Curiel Padova
A.S. 2003-2004
1
Sommario
 Cenni storici
 Classificazione morfologica delle galassie
a. Classificazione morfologica di Hubble
 Fotometria di oggetti estesi (= galassie)
a. Brillanza superficiale, isofote, luminosità e
magnitudini, raggio equivalente ed efficace
b. Profili radiali di brillanza superficiale
c. Forma delle isofote
d. Profili fotometrici delle galassie
e. Decomposizioni fotometriche
2
Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804): 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)
3
4
5
Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804): 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)
6
7
8
Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804): 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)
9
10
11
Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804): 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)
12
13
NGC 6369
NGC 5236 (M83)
14
Cenni storici
 Galileo (1564-1642): natura stellare della Via
Lattea
I. Kant (1724-1804): 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)
15
16
17
Le Cefeidi sono un tipo di stelle variabili per cui è nota una
relazione tra il periodo di variabilità e la magnitudine assoluta
M = – 2.8 log P –1.4
18
Immaginiamo che Hubble abbia misurato
m==20.0
20.0mag
mag
m
10giorni
giorni
PP==10
M
M=
=–
– 2.8
2.8 log
log P
P –1.4
–1.4 =
=–
– 2.8
2.8 log
log (10)
(10) –1.4
–1.4 =
=–
– 2.8
2.8 –1.4
–1.4 =
=–
– 4.2
4.2
m
m–
–M
M=
= 20.0
20.0 –
– (–
(– 4.2)
4.2) =
= 24.2
24.2
m
m–
–M
M=
=5
5 log
log (d/10)
(d/10) =
=5
5 log
log d
d–
–5
5 log
log (10)
(10) =
=5
5 log
log d
d–
–5
5
m
m–
–M
M+
+5
5=
=5
5 log
log d
d
(m
(m –
–M
M+
+ 5)/5
5)/5 =
= log
log d
d
(m–M+5)/5
(m–M+5)/5
d
d=
= 10
10
(24.2+5)/5
(24.2+5)/5
=
= 10
10
29.2/5
29.2/5
=
=
= 10
10
= 691830
691830 pc
pc =
= 700
700 kpc
kpc
 M31 dista 700 kpc da noi
 Il diametro della Via Lattea è circa 30 kpc
 M31 è un oggetto esterno alla Via Lattea
19
Classificazione morfologica delle
galassie
 La varietà delle forme delle galassie può essere ricondotta
a pochi “tipi” (=classificazione morfologica)
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
20
M87 (NGC 4486) E0
21
NGC 3384 S0
NGC 4596 SB0
22
M63 (NGC 5055) Sb
NGC 1365 SBb
23
Sextans A Irr I
M82 (NGC 3034) Irr II
24
Limiti delle classificazioni morfologiche
Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble):
 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
La classificazione morfologica descrive la distribuzione della
luce (e quindi delle stelle) nelle galassie (=fotometria
qualitativa)
25
 M81
26
Lo spettro di una stella
dipende dalla sua
temperatura. Più una stella
é calda, più la sua luce è
blu.
Lunghezza d’onda (nm)
27
 M81 (NGC 3031)
UV
Ottico
IR
28
Classificazione morfologica di Hubble
 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)
29
Hubble: diagramma a diapason
Irr I
Irr II
Ellittiche
Lenticolari
Spirali
Irregolari
30
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
31
b/a
1
0.7
0.5
0.3
1-b/a
0
0.3
0.5
0.7
tipo
E0
E3
E5
E7
32
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
33
NGC 3245 S01
NGC 4111 S02
NGC 5866 S03
34
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
- avvolgimento/apertura dei bracci a spirale
- risoluzione del disco in stelle, nodi, regioni HII
35
 Galassie “di taglio” (= molto inclinate)
Sa
Sc
• Bulge molto prominente
• Bulge poco prominente / assente
36
 Galassie “di faccia”
(= poco inclinate)
Sa
Sc
• Bulge molto prominente
• Bulge poco prominente
• Bracci molto avvolti
• Bracci poco avvolti
• Bracci poco risolti
• Bracci molto risolti
37
38
NGC 1302 Sa
NGC 2841 Sb
NGC 628 Sc
NGC 175 SBa
NGC 1300 SBb
NGC 7741 SBc
39
40
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)
41
LMC Irr I
M82 (NGC 3034) Irr II
42
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)
43
Morfologia nel Gruppo Locale e
ad alto redshift
 Nel Gruppo Locale ci sono molte galassie irregolari e
nane
 Ad alto redshift ci sono molte galassie peculiari
44
45
46
molto luminose e
massicce
M=1014 M
(M= 2 x1030 Kg)
poco luminose e
massicce
M=107 M
47
48
oggi
5 Gyr fa
7 Gyr fa
 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 formate 7 Gyr fa)
 La frazione di galassie peculiari cresce al crescere di z
(= galassie in interazione, le galassie grandi si formano
assemblando galassie piccole)
49
Fotometria delle galassie
La fotometria delle galassie pone la classificazione
morfologica su basi quantitative e permette di:
 confrontare dimensioni, luminosità (e masse) di
galassie diverse (purché se ne conosca la distanza)
 capire la forma intrinseca (3D) delle galassie
 discriminare le singole componenti luminose di una
galassia (bulge, disco, barra, …)
50
Brillanza superficiale
 Per ciascun punto di una sorgente luminosa estesa si
definisce come
brillanza superficiale =

flusso
angolo solido unitario
I = F/
è la BS in unità lineari (e.g. L pc-2)

 = -2.5 log I + costante
è la BS in unità di magnitudine (i.e. mag arcsec-2)
[B =25 significa SB = 25 mag arcsec-2 in banda B]
51
 la BS non dipende
dalla distanza
(nell’universo locale):
D
A,L
I=
F

=
L / 4D2
A / D2
=
L

4A
 F
F = flusso misurato dall’osservatore
L = luminosità della sorgente
A = area della sorgente
D = distanza dall’osservatore
 = angolo solido sotteso dalla sorgente
52
Isofote
 Un’isofota unisce tutti i punti con la stessa BS
N
E
1’
NGC 1291 ha due barre
10”
B=16.78
B=21.28
53
Imisurato(r) = Igalassia(r)+Icielo(r)
 Falsi colori
(=isofote)
BS residua (=la
galassia si estende
oltre i limiti
dell’immagine)
54
 Il diametro isofotale è il diametro a cui viene raggiunto
un particulare livello di BS
N
E
1’
 D25 è il diametro
dell’isofota a cui B =25
mag arcsec-2 (dopo aver
corretto per inclinazione ed
estinzione)
For NGC 1291
D25=10’= 6.4 kpc
55
Luminosità e magnitudine totale
 Se I(r,) è la BS in P(r,) allora la luminosità totale LT è:
 Se le isofote sono circolari LT è:
 La magnitudine totale mT è:
56
dA=r dr d
y
P (r,)
dL = I dA = I r dr d
r
L =  I dA =  I r dr d
I (r,)

x
dA = 2r dr
dL = I dA = 2 I r dr
L =  I dA = 2  I r dr
r
P(r)
I (r)
57
Raggio equivalente ed efficace
 Il raggio equivalente r* di una isofota di area A è il
raggio del cerchio di area A:
 La luminosità integrata L(r*) entro r* è la luminosità
emessa entro l’isofota di raggio equivalente r*:
 Il raggio efficace re corresponde alla isofota che
racchiude metà della luce della galassia
58
A = r*2
A
r*
r*=A/
A = r*2
A = ab
b
r*
a
r*=ab
59
Profili radiali di brillanza superficiale
 Descrivono l’andamento
della BS in funzione della
distanza dal centro
60
 I profili “foldati” sono
ottenuti come:
I(X)+I(-X)
I(|X|)=
2
1. profilo foldato lungo
la barra principale
2. profilo foldato lungo
la barra secondaria
61
 il profilo radiale di
BS in funzione di r*
descrive la
distribuzione di luce
di una galassia nel
suo complesso
profilo radiale di
BS di NGC 1291 in
funzione di r*
62
Forma delle isofote
 In genere le isofote
hanno forma ellittica
isofota
ellisse interpolata
63
E
NGC 4278
PA
N
a
E
PA varia
b
19/03/2003
PA
N
PA
15
 Ogni isofota è definita da:
 livello della BS: 
a
b
E
R.P. Saglia
NGC 4278
(x0,y0)
 coordinate del centro: x0,y0
 lunghezza dei semiassi: a,b
 PA del semiasse maggiore: PA
19/03/2003
R.P. Saglia
15
64

e=1-b/a
PA
65
 Il “twist”
delle isofote è
una prova
della
triassialità
delle galassie
ellittiche.
66
 disky a4>0
 boxy a4<0
NGC 4660
NGC 5322
67
Classificazione di Kormendy e Bender
 Estende lo schema di Hubble introducendo il concetto di
galassia disky/boxy nella sequenza delle ellittiche
boxy
disky
senza barra
barra
disco
sferoide
disco
68
Decomposizioni fotometriche
 Permettono di derivare la distribuzione di luce delle singole
componenti di una galassia
 Le nostre ipotesi sono che
 Imisurato(r) = Ibulge(r)+Idisco(r)+ …
 Ibulge(r) e Idisco(r) sono descritti da

leggi parametriche
Imisurato(r) è il profilo radiale di BS in funzione di r*
69
Legge di de Vaucouleurs (o r1/4)
 Descrive il profilo radiale di SB delle galassie
ellittiche e dei bulge delle galassie a disco
 È una retta nel piano r1/4 -
 Ie (o e) = SB efficace
 re = raggio efficace
70
M87 (NGC 4486) E0
71
r103
SB efficace:
e=22.25
sky=22.7
 14
I106
1”
22’
raggio efficace: re=56.6”
72
 = – 2.5 log I + costante
galassia – cielo =
= –2.5 log Igalassia + costante – (–2.5 log Icielo + costante ) =
= –2.5 log Igalassia + costante + 2.5 log Icielo – costante =
= –2.5 log (Igalassia / Icielo )
– (galassia – cielo)/2.5 = log (Igalassia / Icielo )
log (Igalassia / Icielo ) = –0.4 (galassia – cielo)
–0.4 (galassia – cielo)
Igalassia / Icielo = 10
–0.4(28-22.7)
–2.12
=10
=10
Igalassia / Icielo = 0.008
 Il segnale della galassia è 8 millesimi di quello del cielo
Imisurato(r) = Icielo(r) + Igalassia(r) = 1000 + 8 = 1008
73
Brillanza superficiale del cielo
74
Legge esponenziale (o di Freeman)
 Descrive il profilo radiale di SB dei dischi
 È una retta nel piano r-
 I0 (o 0) = SB centrale
 h = raggio di scala
75
M63 (NGC 5055) Sb
76
sky
SB centrale:
0=21.9
(h)=0+1.086
raggio di scala: h =43.0”
77
dati
bulge+disco
disco
esponenziale
bulge r1/4
78
 A volte un modello con un bulge r1/4 bulge+disco
esponenziale è una “buona” descrizione delle osservazioni
B/D=0.28 B/T=0.22
B/D=1.51 B/T=0.60
 B = bulge, D = disco, B+D = T = totale
79
NGC 7013
 A volte un modello con
un bulge r1/4 bulge+disco
esponenziale è insufficente
dati
bulge r1/n
modello=bulge+disco+
anello+lente
anello
disco esponenziale
lente
80
 B/T correla con il tipo di Hubble, la frazione di luce
dovuta al bulge decresce passando da Sa a Sb a Sc
(=morfologia quantitativa)
B = 50%
B = 30%
B = 15%
81
Morfologia quantitativa
 Classificazione morfologica di van der Bergh
no gas
molto gas
D/B
1-3
3-10
>10
82