La nostra galassia: la Via Lattea

La nostra galassia:
la Via Lattea
Lezione 13
Sommario
La struttura della Galassia.
Osservazioni in ottico, infrarosso e radio.
Disco, sferoide (bulge) e alone.
Popolazioni stellari.
Braccia a spirale.
Rotazione e massa della Galassia.
Origine delle braccia a spirale.
Il nucleo della Galassia.
Un buco nero molto massiccio?
Il Gruppo Locale.
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La Via Lattea
La debole banda di luce della Via
Lattea è la luce delle stelle nel
piano della nostra Galassia vista
dall’interno.
Dall’esterno, la nostra Galassia
potrebbe essere molto simile al
suo vicino più grande, la galassia
di Andromeda.
La Via Lattea, le Nubi di Magellano e la cometa
McNaught viste dalla Patagonia (28/01/2007)
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
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La Galassia in luce visibile
Piano Galattico
Centro Galattico
Nel visibile la nostra visione della
Via Lattea è fortemente
condizionata dall’estinzione da
polvere interstellare.
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L’estinzione nel visibile è
~ 1 mag/kpc
(molto più alta nelle nubi dense).
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La Galassia in luce infrarossa
Sferoide
nucleare
Piano Galattico
La polvere interstellare
assorbe radiazione ottica e
UV e riemette nell’infrarosso.
Emissione lontano IR da polvere
Galassie
satelliti
Immagine nel vicino IR
L’emissione nel vicino IR
(proveniente dalle stelle) è molto
meno assorbita dalla polvere
interstellare e ci permette di
osservare più in profondità.
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Immagine nel lontano IR
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Gli Ammassi Globulari
Esistono circa 200 ammassi globulari
nella Galassia.
Sono ammassi di 5×104-106 stelle:
diametro ~25 pc;
tenuti insieme dalla gravità;
stelle vecchie (parte bassa della
sequenza principale).
Distance da:
relazione periodo luminosità delle
Cefeidi;
tecniche statistiche.
Il centro della distribuzione degli
ammassi globulari identifica il centro
della Galassia.
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L’ammasso globulare M80
8.5 kpc
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La collocazione del Sole
Il Sole si trova sul piano galattico a ~8 kpc dal centro della Galassia.
Le più importanti
componenti della
Galassia sono:
1. Disco
2. Sferoide (bulge)
3. Alone
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Le Popolazioni Stellari
La Galassia contiene due popolazioni di stelle che si distinguono per
l’abbondanza di elementi più pesanti dell’Elio, i Metalli.
Stelle di Popolazione I: si trovano nel disco, sono ricche di metalli,
relativamente giovani.
Stelle di Popolazione II: si trovano nell’alone, povere di metalli, vecchie
(prima generazione di stelle nella Galassia).
Popolazione I: molte
righe di assorbimento
anche da elementi
più pesanti (metalli).
Popolazione II: righe
di assorbimento quasi
esclusivamente da H.
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Struttura della Galassia: il Disco
Disco
diametro ~50 kpc;
spessore ~500 pc;
caratterizzato da braccia a spirale.
Braccia a Spirale
gran parte delle stelle sono di
popolazione I;
contengono gran parte
del gas;
Formazione
molte stelle luminose
Stellare in
di tipo O e B, e regioni HII;
Corso
nubi molecolari giganti;
ammassi aperti.
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Struttura della Galassia: Sferoidi
Alone
diametro ~200 kpc;
stelle di popolazione II;
parte bassa della sequenza principale;
giganti rosse e nane bianche;
~200 ammassi globulari (pop. II);
diverse galassie satelliti
(es. le Nubi di Magellano);
poco gas e poca polvere.
Sferoide nucleare (bulge)
raggio ~3 kpc;
stelle di popolazione I e II;
stelle fredde vecchie ed evolute;
alcune stelle giovani;
la più alta densità di stelle nella
Galassia, poco gas e poca polvere.
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Idrogeno neutro (HI)
La distribuzione di H nella Galassia può essere mappata alle onde
lunghezze d’onda radio con la riga di emissione a 21 cm che viene
ammessa a seguito della variazione dell’orientazione dello spin
dell’elettrone nello stato fondamentale.
HI a 21 cm mostra che il gas neutro è concentrato sul piano della galassia.
Piano della Galassia
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Traccianti della struttura a spirale
Gli spostamenti Doppler misurati dalla
riga a 21 cm permettono di distinguere
tra diverse nubi HI lungo la linea di vista.
Nubi 1, 3: blueshift moderato.
Nube 4: stessa velocità del Sole (no
blueshift).
Nube 2: velocità più grande, tutta
lungo linea di vista, blueshift
massimo osservato.
Si può mappare la distribuzione di
HI nel disco: è concentrata in varie
braccia a spirale.
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Nubi molecolari e bracci a spirale
Tecniche simili si possono
applicare all’emissione radio
della molecola del CO per
tracciare la distribuzione
delle nubi molecolari giganti.
Anche queste sono
concentrate lungo le braccia
a spirale.
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Formazione stellare nelle spirali
In altre galassie le braccia a spirale
sono tracciati dall’emissione di HI
ma anche dalle regioni di
formazione stellare:
stelle O & B luminose;
regioni HII.
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Le regioni tra le braccia non sono
vuote ma sono occupate da stelle
di lunga vita e bassa luminosità
che occupano la parte bassa della
sequenza principale.
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Struttura a spirale della Galassia
Sono stati identificati 4
braccia a spirale
principali.
Esistono anche diverse
braccia minori.
Il Sole si trova al bordo di
uno di questi.
Il tipo di Hubble della
Galassia è: Sbc
(→ Lezione 14).
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La Via Lattea come Spirale barrata
Lavori recenti suggeriscono
che le braccia a spirale si
dipartono dalle estremità di
una struttura allungata che
passa attraverso il nucleo:
una barra.
La Via Lattea è perciò una
spirale barrata: SBbc.
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I moti orbitali nella Galassia
Le stelle nel disco e nelle componenti sferoidali seguono orbite differenti
attorno al centro della Galassia.
Le stelle del Disco, le nubi
del mezzo interstellare
ecc., seguono orbite quasi
circolari nel piano del
disco della Galassia.
Le stelle dell’Alone e gli
Ammassi Globulari hanno
orbite fortemente ellittiche,
orientate casualmente.
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Moti orbitali nel disco
Rotazione differenziale
RS
Individualmente le stelle hanno orbite
Kepleriane attorno al centro galattico.
Una stella a Rs orbita attorno al
centro galattico come se vi fosse
concentrata tutta la massa MG
contenuta entro Rs.
Per un’orbita circolare:
Forza grav.
GMG
VS2
per unità di
=
2
RS
RS
massa
Rotazione differenziale
La velocità orbitale decresce come R-1/2;
una curva di rotazione è il grafico di V in funzione di R.
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Accelerazione
centripeta
VS =
!
GMG
RS
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L’orbita del Sole
La velocità orbitale del Sole si può
ricavare dall’analisi del moto delle
stelle intorno al Sole e risulta:
V☉ = 220 km/s
Dalla distribuzione degli ammassi
globulari la distanza del Sole dal
centro galattico è:
R☉ = 8 kpc
E’ possibile usare la 3a legge di
Keplero per stimare la massa della
Galassia.
Il periodo di rotazione del Sole è: P☉ = 2πR☉/V☉ = 230 Myr
La massa entro R☉ (III Legge di Keplero) è:
M(R☉) = 4π2R☉3/(G P☉2) = 8.8×1010 M☉
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La curva di rotazione Galattica
Rotazione di “corpo
rigido” entro
R< 300 pc (V ∝ R).
Se tutta la massa della galassia fosse
concentrata entro l’orbita del Sole, la
curva di rotazione oltre il Sole seguirebbe
la Legge di
Keplero (V ∝ R-1/2).
Curva di rotazione
piatta oltre il Sole
(V = costante)
→ c’è più massa
di quella delle
stelle visibili.
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Distribuzione di massa nell’Alone
Il fatto che la curva di rotazione della Via Lattea sia costante comporta
che la massa continui a crescere fino a dove viene misurata la curva di
rotazione stessa!
Consideriamo una distribuzione di massa sferica con densità ρ(r).
Ad un dato raggio r, solo la massa entro r, M(r), contribuisce alla velocità
di rotazione circolare v(r).
Applichiamo Leggi di Newton e assumiamo v(r)=v0, costante:
GM (r)
v(r)
=
2
r
r
2
ma
rv(r)2
M (r) =
G
∆M (r) = 4πr2 ρ(r)∆r
rv02
M (r) =
G
ovvero si ottiene:
v02
∆M (r) = ∆r
G
v02 1
ρ(r) =
4πG r2
Se la densità di massa va come r-2, la velocità non dipende da r!
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La massa totale della Galassia
La massa totale del disco e del
bulge nucleare (stelle) è:
~2 ×1011 M☉
Gran parte della massa occupa
un alone esteso.
La massa totale della galassia è
~1012 M☉
Gran parte della massa
dell’alone non è visibile, è
Materia Oscura!
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Origine delle braccia a spirale
Onda a barra:
orbite allineate
Onda a spirale:
orbite disallineate
Orbite “boxy”
disallineate
Le braccia a spirale non sono
Le orbite stellari sono leggermente
strutture di materia che orbitano a
ellittiche e come tali ruotano esse
velocità fissate.
stesse attorno al centro galattico.
Sono onde di densità (come le
Le spirali si formano quando le
onde sonore), risultato della
orbite ruotano con velocità simili.
“sincronizzazione” delle orbite
La densità è più alta dove le orbite
stellari.
si “accumulano” → si formano le
Sono paragonabili a “ingorghi”
braccia a spirale.
automobilistici ...
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Formazione stellare nelle spirali
Le braccia a spirale ruotano
lentamente attorno al centro
della galassia.
Le stelle ed il gas ruotano
attorno al centro a velocità più
alte o più basse → passano
attraverso le braccia a spirale.
La formazione stellare inizia
quando il gas passa attraverso il
braccio a spirale e viene
compresso ... e si auto-induce
grazie ai fronti d’urto prodotti
dalle supernove.
Le stelle di tipo O e B muoiono
prima di allontanarsi troppo dalle Le stelle di piccola massa percorrono
braccia a spirale.
molte orbite durante la loro vita.
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La galassia Vortice (Whirlpool)
Una chiara evidenza per l’esistenza
di questi processi viene anche da
altre galassie.
La formazione stellare autoindotta è chiaramente visibile
lungo le braccia a spirale.
Galassia a spirale M51
(Galassia a Vortice Whirlpool Galaxy).
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Il Centro Galattico
Il Centro Galattico (GC) è
fortemente oscurato da nubi di
polvere poste davanti ad esso.
Centro
Galattico
Vista a
grande campo della
regione del Centro Galattico
(nella Costellazione del Sagittario).
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L’estinzione nel
visibile è
AV ~30 mag.
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Visione nel radio del Centro Gal.
Osservazioni radio ad alta
risoluzione spaziale mostrano
l’esistenza di una sorgente molto
intensa: Sgr A* (Sagittarius A star).
E’ circondata da una spirale di gas
ionizzato;
dimensioni ~ 3pc;
Sgr A* il centro della Galassia.
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le braccia a spirale potrebbero
rappresentare gas che sta
affluendo verso Sgr A*.
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Stelle al centro della Via Lattea
Centro
Galattico
L’ammasso centrale
di stelle può essere
osservato nel vicino IR
anche con l’ausilio di
Ottiche Adattive.
Con i grandi telescopi è
possibile individualmente
molte stelle e seguire il loro
moto nel tempo (moti propri).
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Il Buco Nero al centro della Galassia
Orbita ellittica della
stella S2:
semiasse maggiore
950 UA;
periodo 15.2 y.
Massa dalle leggi di Keplero: 2.6×106 M☉ entro 0.001 pc.
Massa totalmente oscura con densità ρ >1017 M☉ pc-3 → Buco Nero
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Il centro Galattico nei raggi X
La regione del Centro
Galattico contiene molte
binarie X con buchi neri
(stellari) e stelle di neutroni.
Il buco nero
supermassiccio è debole
nei raggi X → attualmente
non è “alimentato” con gas
(carburante).
Immagine nei raggi X di Sgr A* da Chandra
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Il Gruppo Locale
La Via Lattea è membro
di una gruppo di > 30
galassie in interazione
gravitazionale.
Il Gruppo Locale è
composto da:
due spirali giganti
la Via Lattea;
M31 (Andromeda);
una spirale più piccola
M33 (la galassia a
Triangolo);
il resto sono ellittiche
nane e irregolari.
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Andromeda e la Via Lattea sono
circondate da nubi di galassie satelliti.
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Andromeda e i suoi satelliti
Andromeda
diametro del disco ~70 kpc;
M110
massa ~3×1011 M☉.
Satelliti
M31
M32
ellittica nana;
diametro ~ 3 kpc;
massa ~3×109 M☉.
M110
sferoidale nana;
M32
diametro ~ 6 kpc;
massa <15×109 M☉.
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La Via Lattea sta crescendo ...
Le due spirali giganti (Andromeda e Via Lattea) stanno lentamente
“cannibalizzando” le loro compagne nane.
Le forze mareali
(gravitazionali)
distruggono le
galassie satelliti che
si lasciano dietro
scie di gas e stelle
mentre orbitano.
La galassia del
“Canis Majoris” sta
lentamente venendo
fatta a pezzi dalla Via
Lattea che si
accresce con i
detriti.
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Conclusioni
La nostra Galassia ha varie componenti.
Disco, di diametro ~50 kpc
contiene stelle ricche di metalli (Popolazione I) e la maggior parte
del gas; massa ~400 miliardi di masse solari.
Sferoide, che comprende il bulge nucleare e l’alone
contiene stelle povere di metalli (Popolazione II) e poco gas.
La Galassia ha una curva di rotazione piatta implicando che gran parte
della massa si trova nell’alone esteso.
Questa non si può spiegare con la massa delle stelle
→ è materia oscura.
Le braccia a spirale nel disco sono onde di densità che ruotano e sono
evidenziate dalla formazione stellare.
Al centro della Galassia c’è un buco nero di massa ~3×106 M☉.
La Via Lattea è parte di un gruppo di circa 30 galassie in interazione
gravitazionale.
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World Wide Web
Informazioni sulla Galassia:
http://www.seds.org/messier/more/mw.html
… e sul Gruppo Locale:
http://www.seds.org/messier/more/local.html
Presentazione sul Centro Galattico:
http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/hfalcke/bh/
Sito Web del Gruppo che ha misurato la massa del
buco nero al centro della Galassia:
http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/index.php
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