La nascita della Via Lattea

La nascita ed evoluzione della
Via Lattea
Francesca Matteucci
Dipartimento di Astronomia
Universita’ di Trieste
La Via Lattea
Anticamente la Via Lattea era....
• Il latte perso da Giunone mentre allattava
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Ercole (Grecia)
La via per Roma (i primi cristiani)
Il grano seminato da Iside (Egitto)
Un grande fiume (Arabia)
Polvere di stelle fatta di oro (Incas)
Note Storiche
• Nel 1610 Galileo scopri’ che la Via Lattea e’
costituita da miriadi di stelle: “nihil aliud quam
innumerarum stellarum coecervatim consitarum
congeries” (Sidereus Nuncius)
• Wright e Kant: l’intuizione degli universi isola,
XVIII secolo
• Herschel alla fine del XVIII secolo e Kapteyn
XIX secolo : la Via Lattea è un disco di stelle con
il Sole al centro
• Shapley e Hubble: la visione moderna della
Galassia, inizio XX secolo
I moderni telescopi: VLT
Veduta di Paranal
Hubble Space Telescope
Il centro galattico
La Via Lattea vista di taglio
La vera immagine della Via
Lattea
La Via Lattea a varie lunghezze
d’onda
Popolazioni Stellari: cinematica e
composizione chimica
• Il moto di una stella puo’essere decomposto in tre
componenti: una circolare (V), una radiale (U) ed
una perpendicolare al disco (W)
• Il contenuto metallico di una stella e’ indicato
dalla sua concentrazione di ferro relativa a quella
solare, misurata dagli spettri
• Nella Via Lattea ci sono 4 popolazioni stellari :
alone, disco spesso, disco sottile e bulbo
Anatomia della Via Lattea
Evoluzione chimica
• Le stelle di alone col minor contenuto metallico si
sono formate per prime durante il collasso iniziale
del gas
• Le stelle di disco sottile con maggior contenuto
metallico si sono formate dal gas arricchito
chimicamente dalle varie generazioni stellari
• Il gas interstellare si e’ progressivamente
arricchito in elementi pesanti
Come si formano gli elementi
chimici
• Idrogeno, elio, deuterio e litio si sono formati
durante il Big Bang
• Tutti gli elementi dal carbonio al ferro vengono
formati dentro le stelle attraverso reazioni di
fusione nucleare. Dal ferro all’uranio per cattura di
neutroni. Siamo figli delle stelle!!
• Alla morte delle stelle essi vengono restituiti al
gas da cui si formeranno nuove stelle
evoluzione chimica
La nucleosintesi durante il Big
Bang
• A T=10^12 K vi erano solo interazioni deboli che
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•
•
•
causano conversioni tra protoni e neutroni
La nucleosintesi inizio’ a T=10^9 K e fini’ a
T=10^8 K
Il deuterio (D) si formo’ per primo:
p+ n
D + fotone
Seguirono poi altre reazioni per formare nuclei
piu’ pesanti:
D+p
3He + fotone
3He + n
4He + fotone
Si formarono anche piccolissime quantita’ di 7Li
e 7Be
Nucleosintesi stellare
• Le principali reazioni nucleari delle stelle sono
quelle che trasformano H in He (catena p-p e ciclo
CNO)
• A cui seguono le reazioni del ciclo 3-alpha :
3
particelle alpha (nuclei di He) che si fondono per
dare origine ad un nucleo di Carbonio
• Seguono poi le reazioni che formano gli elementi
alpha (O, Ne, Mg, Si, S, Ca)
A+
alpha
B+ fotone
• Le reazioni di fusione si bloccano alla formazione
del Fe a cui corrisponde la massima energia di
legame per nucleone
Nucleosintesi Stellare
• Le stelle come il Sole e fino a circa 8 volte la massa del
Sole producono elio, carbonio e azoto. Muoiono come
nane bianche
• Le stelle massicce (da 10 a 100 volte la massa del Sole)
producono gli elementi alfa (O, Ne, Mg, Si, S, Ca...) e
poco Fe e muoiono come Supernovae di tipo II
• Nane bianche in sistemi binari esplodono come
Supernovae di tipo Ia e producono la maggior parte del
Fe
Nucleosintesi
Supernova 1987A
Rapporti di Abbondanze come
Orologi Cosmici
• Gli elementi alfa vengono prodotti dalle stelle
massicce su tempi scala dell’ordine dei milioni di
anni
• Il ferro viene prodotto dalle supernovae Ia su
tempi scala dell’ordine dei miliardi di anni
• I rapporti alfa/ferro possono venire usati come
orologi cosmici
Rapporti osservati
Tempi di formazione
• Deduciamo che la durata della fase di alone e
disco spesso non puo’essere maggiore di 1.5-2.0
miliardi di anni
• Il disco si e’ formato per accrescimento lento di
gas in circa 7 miliardi di anni alla posizione solare
e piu’ rapidamente verso centro galattico
• Le parti piu’ esterne del disco sono ancora in
formazione
• Il bulbo centrale si e’ formato rapidamente dallo
stesso gas di alone in un tempo da 0.5 a 1.5
miliardi di anni
Un possibile scenario
Le galassie nane possono essere i
mattoni della Galassia?
• Le indicazioni osservative ci mostrano che i
rapporti alfa/ferro nelle stelle delle galassie nane
satelliti della Via Lattea sono diversi da quelli
delle stelle galattiche, con l’eccezione forse delle
stelle con basso ferro
• Piu’ dati osservativi sono necessari per capire
• Se i rapporti a basso ferro fossero diversi, cio’
contrasterebbe con la teoria del “clustering
gerarchico” che prevede che le galassie si formino
per fusione di oggetti piu’ piccoli
Sagittarius dwarf spheroidal
galaxy
Le Nubi di Magellano
The Magellanic Stream
Accrescimento di gas
La Materia Oscura
• La materia luminosa (stelle e gas)
rappresenta una minima parte della materia
dell’Universo. La materia oscura domina e
rappresenta il 30% dell’Universo
• Il restante 70% e’ costituito da energia
oscura che tende a far accelerare l’Universo
Alone di Materia Oscura nella
Galassia:simulazione al computer
Ellittiche ed Irregolari
La Via Lattea e le altre galassie
• Le galassie ellittiche sono fatte di stelle vecchie
come quelle dell’alone della nostra galassia. Si
sono formate miliardi di anni fa in tempi scala
simili a quelli della formazione dell’alone e del
bulbo galattico
• Le altre galassie spirali si sono formate in maniera
simile alla Via Lattea
• Le galassie irregolari si sono formate piu’
lentamente della Via Lattea e stanno attivamente
formando stelle ancora oggi
• I diversi rapporti di elementi alfa/Fe previsti per le
diverse galassie consentono di identificare le
galassie lontane di cui non vediamo la morfologia
Problemi ancora aperti nella
formazione della Via Lattea
• Possiamo escludere che le stelle dell’alone esterno
e parte di quelle del disco spesso siano state
accresciute dalle galassie satelliti?
• Che origine ha il gas che ha formato la maggior
parte del disco sottile? Extragalattico o il gas
residuo dal collasso dell’alone?
• C’e’ stato un periodo di tempo tra la formazione
dell’alone e del disco durante il quale le stelle non
si formarono?