La struttura a spirale
E' risaputo che molte galassie hanno forma a spirale
Nell'ottico tale struttura e' evidenziata da stelle OB e le regioni HII
La galassia Andromeda; M31
Picture Credit: The Electronic Universe Project
La galassia Whirlpool; M51
Image Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Acknowledgment: N. Scoville (Caltech) and T. Rector (NOAO)
La struttura a spirale
Nonostante alcuni tentativi (es. Morgan, Sharpless & Osterbrock 1951), una visione
globale della struttura a spirale della nostra Galassia ha dovuto attendere lo
sviluppo della Radioastronomia
Oort, Westerhout & Kerr 1958
Emissione di riga HI
(Olanda e Australia)
Posizione dell'HI: metodo delle
distanze cinematiche
Abbondanza dell'HI: derivato
dall'intensita' della riga
Questa mappa non la dice tutta!
La struttura a spirale
L'assunzione principale e' che il gas si muova su orbite esattamente circolari
Questa assunzione va contro la teoria della struttura a spirale (vedi dopo)
Piccole deviazioni dal moto puramente circolare causano cambiamenti
significativi nella mappa
Le dita di gas che escono dal Sole ne sono un esempio (il gas vicino al Sole
dovrebbe avere V(LSR) ~ 0, ma a causa dei moti non-rotazionali la vera
distribuzione viene allungata)
La struttura a spirale
Gli oggetti associati con stelle OB, sono:
- regioni HII
- nubi molecolari
- resti di supernova
- raggi γ
Sommando su anelli concentrici l'abbondanza di questi anelli si ottiene:
• un picco per rsol/2
• un decadimento fino a rsol
La struttura a spirale e' confinata fra ~ rsol/2 e ~ rsol
(oltre, i traccianti si indeboliscono)
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spirale
La struttura a spirale e' evidenziata da
complessi di regioni HII giganti illuminate
(per fluorescenza) da stelle OB
Vita di una Galassia: ~ 1010 anni
Vita di una stelle OB: ~ 106 anni
Formazione continua di nuove stelle
NGC4622 (tipo Sb)
Image Credit: NASA and The Hubble Heritage Team
(STScI/AURA)
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spirale
The winding dilemma
Cosa scatena la formazione simultanea di stelle in un
fronte cosi' lungo e stretto come il braccio a spirale?
La materia da cui si formano le stelle (gas e polvere) si trova
proporio nel braccio, quindi...
Il braccio e' fatto di materia
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spirale
The winding dilemma
Dopo un'orbita, la nube ha gia' creato un "ricciolo"
Tempo 3
Una nube impiega ~
108
anni per fare un giro
L'eta' della Galassia e' di ~ 1010 anni
100 "riccioli"?....NO! (Attorcigliamento)
I bracci di solito hanno ~ 2 "riccioli"
?
•
•
•
•
• •
+
Tempo 2
•
• • •
Tempo 1
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spirale
The winding dilemma
Il braccio nelle galassie a spirale non e' di materia.
Il braccio e' un'onda di densita' mantenuta dall'autogravita' della distribuzione su larga scala della materia
(Lin & Shu 1963, seguendo Lindblad B. & Lindblad P.O.)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
(idea di base)
Immaginiamo:
- Le stelle sono come auto in differenti corsie circolari in moto differenziale
- Ci sono i lavori in corso in una delle corsie
- Lungo quel punto abbiamo un ingorgo: le auto si compattano, poi si
sgranano e poi, NUOVE auto si ri-compattano
- Le macchine fluiscono attraverso i lavori, ma per chi fotografa dall'alto (es. da
un elicottero) il compattamento avviene sempre in quel punto (quello dei
lavori in corso)
- I lavori procedono lungo la corsia
La velocita' delle macchine e' (solitamente) diversa da quella alla quale
procedono i lavori
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
(idea di base)
L'Analogia
L'ingorgo (il braccio-onda) e' l'onda di densita' di macchine (stelle)
La velocita' del massimo di densita' (la velocita' dell'onda) puo' essere
diversa dalla velocita' delle singole auto (la velocita' del materiale)
Ma cosa causa l'ingorgo?
Cos'e' rappresentano i lavori in corso?
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Il campo gravitazionale causato dal fatto che la Galassia
a spirale NON ha una distribuzione di materia
perfettamente assi-simmetrica
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Orbita media di una stella (o nube di gas) in un disco galattico imperturbato =
moto circolare attorno ad un centro con velocita' Ω
(a)
+
F1  0
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Campo gravitazionale perturbante = periodico in t (tempo) e in φ (azimuth)
(b)
+
F1  A cos(m )
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Moto risultante nel sistema di riferimento (s.d.r.) corotante con la
perturbazione (velocita' angolare Ωp = ω/m), ossia il campo perturbante e'
indipendente dal tempo
La risposta stazionaria in questo s.d.r. e' una rotazione media con V
angolare relativa = Ω- Ωp che porta l'oggetto attorno ad un cerchio distorto
che contiene m "dossi"
Per m=2, il cerchio distorto e' un ovale (nel s.d.r. Ωp). Applicando la
perturbazione a diversi raggi r, si ottengono:
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Ovali concentrici : se la fase del campo perturbante e' = per tutti gli r
(osservato nel centro di molte galassie)
(c)
m=2
F1  A(r ) cos(m )
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Una spirale a due bracci : se la fase angolare ha una variazione
monotonica Φ(r) a diversi r
(d)
m=2
F1  A(r ) cos(m  (r ))
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
(a)
(b)
+
+
F1  0
F1  A cos(m )
(d)
(c)
m=2
F1  A(r ) cos(m )
F1  A(r ) cos(m  (r ))
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
L'essenza della teoria delle onde di densita' e':
- trovare la forma funzionale della funzione di fase,
Φ(r), e di ampiezza, A(r), in modo che la perturbazione
sia un "modo normale" dell'oscillazione del sistema.
Per un tale modo normale, il campo gravitazionale
disturbante associato con la distribuzione non
assisimmetrica di materia e' precisamente uguale al
campo perturbante richiesto per provocare la risposta
non assi-simmetrica in primo luogo.
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Risposta in densita' del
disco stellare
Campo gravitazionale
risultante dovuto a stelle e
gas
+
Risposta in densita' del
disco gassoso
=
Materiale totale necessario
per mantenere il campo
gravitazionale risultante
Forma perturbata
dell'equazione di
Boltzmann nell'ipotesi di
assenza collisionale
=
Risposta totale nella
distribuzione di materia nel
disco
Questa equazione serve a
specificare completamente le
proprieta' dell'onda, e quindi, la
forma della spirale
Fluido-idrodinamica
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Calcoli del modo normale: es. Toomre; Lin; et al.
Alcuni dei modi a spirale sono leggermente instabili e la
loro amplitudine tende a crescere spontaneamente
Barre (Merging)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Spirali con un'unica, chiara
struttura a bracci (un solo
modo normale dominante?)
Spirali molti-bracci e
filamentari (sovrapposizione
di molti modi normali
"puri"?)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Fra tutti i dubbi una delle deduzioni che sembra piu'
solida e confermata dalle osservazioni e' che:
Le strutture a due bracci sono dominanti
La teoria delle onde di densita' prevede che strutture dell'onda
possano esistere solo dove la velocita' della perturbazione e':
p     / m
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Risonanza interna di Lindblad: il raggio per cui  p     / m
Risonanza esterna di Lindblad: il raggio per cui  p     / m
Range principale
Per m=3,4,.. E' piccolo (poco probabili)
Per m=0 L'effetto e' simile al disco in equilibrio
Per m=1 Il tasso di crescita minore
Le onde di spirali a due bracci dominano perche:
1. Crescono molto prima di saturare
2. Hanno un range principale grande
3. La risposta dell'ISM le rende "visibili" (vedi dopo)
La struttura a spirale
Perche' la struttura a spirale?
La motivazione di base perche' una galassia che ruota velocemente e con
rotazione differenziale generi onde di spirale e' il tentativo della galassia
a guadagnare energia "legante" per le sue parti interne.
L'idea e' simile, MA DIVERSA da quella della stella.
La conservazione del momento angolare non permette di contrarre a
piacere le parti interne della galassia (la contrazione aumenta la
rotazione, e quindi la forza centrifuga).
L'onda di densita' della spirale (trailing) e' esattamente cio' che
permette di trasferire via il momento angolare.
Quello che nei dischi di accrescimento stellari viscosi fa l'attrito, nei dischi
galattici ("encounterless") fa l'auto-gravita' di un modo normale nonassisimmetrico dell'oscillazione.
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
•
Studi della struttura di alcune spirali
esterne (vedi dopo)
•
La differenza di massa fra i bracci e
quella media dei dischi e' piccola, ma la
luce visibile (soprattutto nel blue) e'
molto maggiore
Il gas e la polvere dell'ISM hanno
velocita' randomatiche piu' piccole di
quelle delle stelle di disco e quindi
rispondono piu' non-linearmente all'onda
di densita' di piccola ampiezza
(Prendergast...Fujimoto & Roberts).
Compressione della densita' superficiale
La proposta teorica che la struttura a spirale sia un fenomeno ondulatorio e'
verificato da alcune osservazioni:
5
4
Shock
Galattico
3
2
128
32
1
8
-90
-60
-30
0
30
60
Angolo azimutale (o)
90
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
Velocita' di dispersione tipiche:
- 128 km/s per le stelle dell'alone (nessuna struttura a spirale)
- 32 km/s per le stelle di disco (debole struttura a spirale)
- 8 km/s gas interstellare (struttura a spirale pronunciata; shock e
incremento nello SFR dietro di esso)
Tutto vero!!!
Il processo di formazione stellare e' complesso: Instabilita' di
Parker, Massa di Jeans, etc...
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
Bande di polveri
E la polvere?
Ci aspettiamo che
anch'essa si comprima e
accumuli dietro lo shock,
ossia nella parte interna
del braccio
Vero anche questo!!!
Lato lontano
Bulge
Lato vicino
Le bande di polvere ci danno un'indicazione dell'inclinazione e del senso di
rotazione della struttura a spirale
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
Le osservazioni inteferometriche radioastronomiche dell'idrogeno
atomico hanno permesso di paragonare densita' e campi di velocita'
teorici e osservativi (es. M81; Rots, Shane, & Visser)
Buon accordo!!!
E nella nostra Galassia???
La struttura a spirale
La struttura a spirale