Morfologia e classificazione delle galassie

Morfologia e classificazione
delle galassie
Enrico Maria Corsini
Dipartimento di Fisica e Astronomia
Università di Padova
Lezioni del corso di Astrofisica I
A.A. 2014-2015
1
Sommario
E  Scopo delle classificazioni morfologiche
E  Classificazione morfologica delle galassie normali
(Hubble, de Vaucouleurs, van den Bergh, Morgan)
E  Classificazione morfologica delle galassie peculiari
(Vorontsov-Velyaminov, Arp)
E  Morfologia e luminosità
E  Morfologia delle galassie del Gruppo Locale
E  Limiti delle classificazioni morfologiche
2
Scopo delle classificazioni morfologiche
E  La classificazione morfologica è il primo passo
verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad
alto redshift)
E  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)
E  Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno
degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione
ed evoluzione delle galassie
3
Classificazione morfologica di Hubble
E Introdotta da Edwin P. Hubble nel 1926 (E-S-Irr)
E Perfezionata nel 1936 (E-S0-S-Irr)
E Descritta e illustrata da Allan Sandage nel The Hubble
Atlas of Galaxies (Sandage 1961)
E Applicata a ≈1200 galassie del A Revised-Shapley
Ames Catalog of Bright Galaxies (Sandage & Tammann
1981)
E Trova la sua esposizione finale nel The Carnegie Atlas
of Galaxies (Sandage & Bedke 1994)
4
Hubble: tipi morfologici
E  È la classificazione più usata e fornisce la terminologia
di base
E  Hubble distingue 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)
5
Hubble: diagramma a diapason
Irr I
Irr II
Ellittiche
Lenticolari
Spirali
Irregolari
6
Hubble: galassie ellittiche
E  Forma (apparente) ellittica
E  Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri
E  I sottotipi sono definiti sulla base dello schiacciamento
apparente (ellitticità)
En, n=0,1,…7 con n = 10 e = 10 (1-b/a)
b
e = 1 – b/a
a
7
b/a
1
0.7
0.5
0.3
1-b/a
0
0.3
0.5
0.7
tipo
E0
E3
E5
E7
8
Hubble: galassie lenticolari
E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco
senza evidenza di bracci di spirale
E Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0)
E I sottotipi S01, S02, S03 sono definiti dalla:
- prominenza delle polveri nel disco
E I sottotipi SB01, SB02, SB03 sono definiti dalla:
- prominenza della barra
9
NGC 3245 S01
NGC 1023 SB01
NGC 524 S02
NGC 2859 SB02
NGC 5866 S03
10
NGC 4643 SB03/SBa
Hubble: galassie a spirale
E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco
caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale
E Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB)
E 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
11
di taglio
di faccia
Sa
•  Bulge molto prominente
•  Bracci molto avvolti
•  Bracci poco risolti
Sc
•  Bulge poco prominente
•  Bracci poco avvolti
•  Bracci molto risolti
12
ψ
ψ = angolo di attacco (pitch angle)
13
14
NGC 1302 Sa
NGC 2841 Sb
NGC 628 Sc
NGC 175 SBa
NGC 1300 SBb
NGC 7741 SBc
15
Hubble: galassie irregolari
E  Poca o nessuna simmetria
E  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)
E Successivamente vengono ridistinte in
- Im: irregolari di tipo magellanico
- IBm: irregolari barrate di tipo magellanico
rispettivamente poste lungo la sequenza delle S e
delle SB
16
LMC Irr I
NGC 3034 (M82) Irr II
NGC 4449 Irr I
NGC 520 Irr II
Holmberg II Irr I
NGC 520 Irr II
17
E Sandage (1961) introduce due ulteriori sottotipi per
segnalare la presenza di un anello (r) da cui si
dipartono i bracci o dei soli bracci a spirale (s)
E0
E7
18
Hubble: evoluzione storica
Irr I
Irr II
(Kormendy & Bender 1996)
S0a – S0b – S0c – Sph
Sa – Sb – Sc – Im
(Kormendy & Bender 2012)
19
Hubble: punti critici
E La classificazione è definita su galassie prototipo di tipo
gigante e supergigante che sono isolate o si trovano in
piccoli ammassi
E 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
E Le spirali barrate di tipo avanzato sono meno brillanti
delle spirali non barrate della stessa classe
E Mancano criteri oggettivi per distinguere le spirali di tipo
molto avanzato e le galassie irregolari
20
Classificazione morfologica di
de Vaucouleurs
E Introdotta da Gerard de Vaucouleurs nel 1959
E Estende la classificazione di Hubble
E Descritta nel Reference Catalog of Bright Galaxies
(RC1, de Vaucouleurs et al. 1964)
E Applicata a ≈23000 galassie del Third Reference
Catalog of Bright Galaxies (RC3, de Vaucouleurs et al.
1991)
E Illustrata nel The de Vaucouleurs Atlas of Galaxies
(Buta et al. 2007)
21
de Vaucouleurs: tipi morfologici
de Vaucouleurs distingue le galassie secondo tre
parametri:
E  posizione lungo la sequenza morfologica principale
E-E+-S0--S00-S0+-Sa-Sb-Sc-Sd-Sm-Im
E  presenza o meno della barra
SA = senza barra, SAB = barra debole, SB = barra
E  tre varietà
(r) = i bracci si dipartono da un anello, (s) = presenza
dei soli bracci a spirale, (rs) = varietà intermedia
e le colloca lungo cosiddetto diagramma a fuso
22
de Vaucouleurs: diagramma a fuso
23
24
de Vaucouleurs: SA
SA(rs)
SA(s)
SA(r)
25
de Vaucouleurs: SB
SB(r)
SB(s)
SB(rs)
26
de Vaucouleurs: SAB
SAB(rs)
SAB(s)
SAB(r)
27
de Vaucouleurs: S(r)
SA(r)
SAB(r)
SB(r)
28
SA(s)
de Vaucouleurs: S(s)
SAB(s)
SB(s)
29
de Vaucouleurs: S(rs)
SA(rs)
SAB(rs)
SB(rs)
30
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
de Vauc.
E
-5
T
E-S0
S0
E+
S0-
S00
-4
-3
-2
Sc-Irr
S0/a
Sa
Sa-b
Sb
Sb-c
Sc
Irr
S0+
S0/a
Sa
Sab
Sb
Sbc
Sc
Scd
Sd
Sdm
Sm
Im
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
31
de Vaucouleurs: codici
32
33
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)SA0/a(rs)
NGC 6782
RSXR1..
(R)SAB(r)a
NGC 2775
.SAR2..
SA(r)ab
NGC 7741
.SBS6..
SB(s)cd
NGC 3034
.I.0../
I0 sp
34
de Vaucouleurs: punti critici
E 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
E La dicotomia tra varietà (r) e (s) è un aspetto
secondario della morfologia
E 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
35
Morfologia e luminosità
E Il grado di sviluppo della struttura a spirale (grand
design vs multiple arms) dipende dalla luminosità delle
galassie
E I sottotipi Sa-Sab-Sb-Sbc-Sc sono ben definiti solo per
galassie molto luminose
E La frazione di galassie irregolari cresce al diminuire
della luminosità
E La frazione di spirali barrate è minore tra le galassie
giganti e maggiore tra le galassie nane
36
NGC 3031 Sb
Grand design spiral
NGC 3223 Sb
Multiple-armed spiral
37
38
Classificazione morfologica di
van den Bergh
E  Introdotta da Sidney van den Bergh
E  Trova la sua definizione finale in A New Classification
System for Galaxies (van den Bergh 1976, ApJ, 206, 883)
E  Nota anche come classificazione DDO (David Dunlap
Observatory)
E  Adotta le classi di luminosità
I = supergiganti (Mpg=-20.2, H0 =100 km/s/Mpc), II =
giganti brillanti (-19.4), III = giganti (-18.2), IV = subgiganti (-17.3), V = nane (-15)
39
van den Bergh: classi di luminosità
NGC 1232 Sc I
M33 (NGC 598) Sc II-III
40
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41
42
Cetus
Sph
Sextans A
Irr
NGC205 (M110)
dE5
43
van den Bergh: tipi morfologici
van den Bergh distingue le galassie secondo due
parametri:
E  assenza/presenza del disco
- ellittiche (E)
- galassie a disco (S0,A,S)
E  abbondanza di gas nel disco
S0 = no gas, A = poco gas, S = molto gas
e le colloca lungo cosiddetto diagramma a tridente
44
E  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
E  Le irregolari (Ir) vengono poste dopo le spirali ricche
di gas
45
van den Bergh: diagramma a tridente
Sferoidi
Dischi
Lenticolari
Anemiche
Spirali
D/B
1-3
3-10
>10
46
NGC 3115 S0a
NGC 2855 Aa
NGC 2775 Sa
47
48
Van den Bergh: punti critici
E Ha il vantaggio di definire i sottotipi a, b, c su basi
quantitative
E I sottotipi a, b, c sono ben definite solo per galassie
supergiganti e giganti, mentre per le galassie meno
luminose possono essere suddivise solo in primi tipi
(early) e tipi avanzati (late)
E La distinzione tra galassie a spirale di tipo avanzato e
irregolari magellaniche dovrebbe essere fatta sulla base
della presenza o meno di un nucleo
E Richiede analisi fotometrica delle immagini
49
Classificazione morfologica di
Morgan
E  Introdotta da William W. Morgan
E  Esposta in A Preliminary Classification of the Forms of
Galaxies according to their Stellar Populations I (1958,
PASP, 70, 364) e II (1959, PASP, 71, 394)
E  Applicata a 608+642 galassie
E  Nota anche come classificazione di Yerkes
50
Morgan: tipi morfologici
Morgan distingue le galassie secondo tre parametri:
E  concentrazione di luce centrale che correla con lo spettro
integrato
a (poco concentrate), af, f, fg, g, gk, k (molto concentrate)
E  forma
E = ellittica, S = spirale, B = spirale barrata, I = irregolare
Ep = E con polvere, R = a simmetria di rotazione ma senza
evidenze di struttura a spirale o ellittica, D = con nucleo
ellittico immerso in un alone esterno, L = bassa brillanza
superficiale, N = nucleo brillante
E  rapporto assiale
1 (circolare), 2, 3, 4, 5, 6
51
NGC 4459 kE3
NGC 4643 kB1
NGC 3115 kD7
NGC 3031 gkS4
NGC 4449 aI
NGC 147 L
52
53
Morgan: punti critici
E Ha il vantaggio di dipendere da un singolo parametro
che correla con le popolazioni stellari ed è facilmente
misurabile anche ad alto redshift
E La distinzione tra E e D non è sempre chiara
54
Classificazioni morfologiche delle
galassie normali
55
NGC 4486 (M87)
Hubble = E1
de Vaucouleurs = E1pec
van den Bergh = E1
Morgan = kE1
NGC 224 (M31)
Hubble = Sb
de Vaucouleurs = SA(s)b
van den Bergh = Sb I-II
Morgan = kS5
56
NGC 5457 (M101)
Hubble = Sc
de Vaucouleurs = SAB(rs)cd
van den Bergh = Sc I
Morgan = fS1
Grande Nube di Magellano
Hubble = Irr I
de Vaucouleurs = SB(s)c
van den Bergh = Ir III-IV
Morgan = afI2
57
Galassie non classificabili
E ∼2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr
E Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti
NGC 5128 S0+S pec
NGC 4038/39 Sc (tides)
58
Classificazione morfologica di
Vorontsov-Velyaminov
E Introdotta da Vorontsov-Velyaminov e Krasnogorskaja
nel 1962
E Descritta e illustrata nel Morphological Catalog of
Galaxies
E Applicata a ≈29000 galassie
E È una classificazione puramente descrittiva
59
60
Classificazione morfologica delle
galassie peculiari e interagenti di Arp
E  Introdotta da Halton Arp
E  Riguarda le galassie con morfologie disturbate e
peculiari che non rientrano nello schema di Hubble/
Sandage/de Vaucouleurs
E  Descritta e illustrata in Atlas of Peculiar Galaxies (1969)
E  Applicata a 338 oggetti (galassie, coppie, gruppi)
61
Arp: tipi morfologici
62
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 271 (NGC 5426/27) connected arms
Arp 244 (NGC 4038/39) fission
64
Arp 329 chain of galaxies
Arp: punti critici
E Molte delle galassie sono peculiari perché sono
interagenti (o hanno recentemente interagito) con un
compagno
cf. http://www.youtube.com/watch?v=lXy3B2K47Qg
(Hubble captures colliding galaxies)
E Alcuni oggetti sono galassie nane di tipo avanzato ma
non sono peculiari (No. 2-5). Forse sono state
scambiate per tali solo perché appaiono più caotiche di
quelle più luminose
65
Morfologia nel Gruppo Locale
E  La Via Lattea e` una galassia a spirale SBbc
E  Nel Gruppo Locale ci sono molte galassie irregolari e
nane
66
67
68
69
71
Limiti delle classificazioni morfologiche
Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble, de
Vaucouleurs, Vorontsov-Velyaminov, van den Bergh,
Arp):
E  si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini
(lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR)
E  sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e
banda passante delle immagini analizzate
E  dipendono dai criteri di classificazione adottati
72
M81
73
M81 (NGC 3031)
UV
Ottico
IR
74
Approfondimenti
E  E. P. Hubble, Extragalactic nebulae, 1926, ApJ, 64, 321
E  A. Sandage, The Hubble atlas of galaxies, 1961, Carnegie
Institution, Washington
E  G. de Vaucouleurs, Classification and morphology of external
galaxies, 1959, Hand. der Physik, 53, 273
E  S. van den Bergh, A new classification system for galaxies, 1976,
ApJ, 206, 883
E  W. W. Morgan, A preliminary classification of the form of galaxies
according to their stellar population, 1958, PASP, 70, 364
E  A. Arp, Atlas of peculiar galaxies, 1966, ApJS, 14, 1
E  A. Sandage, J. Bedke, The Carnegie atlas of galaxies, 1994,
Carnegie Institution, Washington
E  P. B. Nair, R. G. Abraham, A catalog of detailed visual
morphological classification for 14,034 galaxies in the Sloan Digital
75
Sky Survey, 2010, ApJS, 186, 427