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Formazione delle Strutture Cosmiche ASI Workshop, Roma, 2 & 16 Dicembre 2009 Stefano Borgani Dipartimento di Fisica Universita di Trieste (INAF.

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1 Formazione delle Strutture Cosmiche ASI Workshop, Roma, 2 & 16 Dicembre 2009 Stefano Borgani Dipartimento di Fisica Universita di Trieste (INAF & INFN - Trieste) 1. Le domande fondamentali della cosmologia moderna 2. Perche affrontarle con osservazioni dallo spazio? 3. Con quali strumenti ? Presentazione basata su: "Studio su tematiche e modelli nel campo della cosmologia e fisica fondamentale dallo spazio ( ) "Feasibility study on High Energy Astrophysics: fields of interest and perspectives for the national community ( ) Piano lungo termine (PLT) INAF ( )

2 What are the fundamental laws of the Universe? How did the Universe begin and what is it made of? Da ESA - Cosmic Vision : Mapping of the large-scale structure of the Universe

3 CMB Sn-Ia Distribuzione delle galassie Ammassi di galassie Lensing gravitazionale Il Contenuto in materia ed energia dellUniverso

4 Limpronta di DM e DE sullevoluzione cosmica Piccole disomogeneita iniziali (CMB) Amplificazione gravitazionale Formazione di prime piccole strutture (galassie) Formazione di strutture piu grandi (ammassi) per merging

5 La distribuzione di galassie su grande scala Domande fondamentali: Quale impronta lasciano DM e DE sullevoluzione delUniverso? E necessario ripensare la natura della gravita ? Quale meccanismo ha generato nellUniverso primordiale i semi per formare le galassie? Percival et al. 09 Mappa dellUniverso vicino dalla Sloan Digital Sky Survey (~ galassie)

6 Crescita delle strutture cosmiche: la distribuzione di galassie Percival et al. 09 Guzzo et al. 07: crescita delle perturbazioni dai moti peculiari delle galassie Perche dallo spazio? Spettroscopia: qualita, profondita, stabilita, velocita non ottenibili da terra Lensing: qualita e stabilita di imaging non ottenibili da terra

7 Ammassi di galassie Strumenti per cosmologia e laboratori di astrofisica Presente (in banda X): ~1000 ammassi da ROSAT nellUniverso locale (z<0.2) ~ 40 ammassi distanti (z>0.5) + Osservazioni con Chandra & XMM SB et al. 01 Abell 1689 Forte comunita italiana Eredita di Beppo-SAX !! Cosa e richiesto per il futuro? Sensibilita ~10 3 Chandra/XMM: tracciare il ciclo dei barioni cosmici fino a 1/3 delleta dellUniverso tracciare ad alta precisione levoluzione delle strutture cosmiche

8 Crescita delle strutture cosmiche: gli ammassi di galassie SB & Guzzo 01 Andreon et al. 09 JCKS-041: X-ray + ottico ; z phot ~1.9 Lammasso piu distante confermato in banda X Perche dallo spazio? X-ray: 1. Non accessibile da terra 2. Dettagliate infos su stato fisico e dinamico Ottico da terra: 1. Spettroscopia inefficiente 2. Incompletezza statistica Sunyaev-Zeldovich da terra: 1. Scarsa risoluzione spaziale 2. Contaminazione 3. Limitata spettroscopia Con Dark Energy Senza Dark Energy Ammassi distanti: traccianti sensibili dei costituenti dellUniverso

9 Le prime galassie e la fine delle Dark Ages ~ 2 x10 8 yr dopo il Big Bang: comparsa di prime stelle e BH ~ 4x10 8 yr: primi episodi significativi di arricchimento in metalli dellUniverso < 10 9 yr: lUniverso e completamente re-ionizzato Domande fondamentali: Come si formano le prime galassie a partire dal gas primordiale? Quali sono le sorgenti responsabili della re- ionizzazione?

10 Le prime galassie e la fine delle Dark Ages Perche dallo spazio? Bunker et al. 09: identificazione di 10 galassie a t U ~10 9 yr da HST-WFC3 Capacita di HST ora spinte ai limiti grazie a WFC3… Cosa e necessario? Sensibiliita ~100 x HST: 1. Rivelare le prime galassie a t U ~ 5 x 10 6 yr. 2. Contributo alla reionizzazione

11 La storia di formazione delle galassie Formazione cosmologica di una Milky Way (credit F. Governato) Formazione di galassie da merging continuo di strutture piu piccole. Quali sono le tracce di questo merging nella popolazione stellare della Galassia?

12 La storia di formazione delle galassie Scenario cosmologico standard: Strutture piccole si formano prima Strutture via via piu grandi si formano successivamente per fusione di strutture piccole Q1. Come riconciliare con le osservazioni di popolazioni stellari vecchie in galassie massive distanti? Q2. Ruolo dei meccanismi di supernove e AGN nel regolare la formazione stellare ? Nature vs. nurture M82: intensa formazione stellare nellUniverso vicino Popolazione stellare evoluta in ammasso a t U ~4x10 9 yr (Rosati et al. 09)

13 Cluster Field Il ruolo dell eredita nellevoluzione delle galassie Color coding: B-V Diagrammi ad albero per la formazione di galassie: Predizione di modelli di formazione di due galassie di massa simile in due ambienti diversi Galassia in ammasso da fusione recente di oggetti con popolazioni stellari piu evolute. De Lucia et al. 2008

14 Con quali strumenti?

15 GAIA: tracciare la storia di formazione della Galassia Missione ESA: lancio 2012 Classe M Combinazione di astrometria, fotometria e spettroscopia Obiettivo scientifico primario: Origine della Galassia 1. Posizioni, velocita e composizione chimica di ~10 9 stelle 2. Ricostruzione di struttura e dinamica della Galassia Coinvolgimento italiano per: Sistemi di calcolo per archiviazione dati Validazione astrometria Supporto analisi dati

16 James Webb Space Telescope (JWST) the First Light Machine Obiettivo scientifico primario: Prime galassie formate alla fine delle Dark Ages Nessun supporto da ESA per analisi dati: Supporto da ASI assolutamente necessario!! NASA top priority deployable telescope 6.6 m = m Costo: 4 billion $ ~ 100 piu sensibile di HST & Spitzer Lancio: 2014 > 15 % Tempo di osservazione Lanciatore (Ariane5) NIRSpec MIRI Operations 2.2 arcmin

17 JWST: the First Light Machine 2.2 arcmin Obiettivo scientifico primario: prime galassie formate alla fine delle Dark Ages Formazione di galassie Nascita di stelle e sistemi protoplanetari Sistemi planetari ed origine della vita Nessun supporto da ESA per analisi dati: Supporto da ASI assolutamente necessario!!

18 SPICA Medium Size: selezionata da ESA Cosmic Vision per Fase A: partecipazione a missione con leadership JAXA Telescopio di 3.5 m Imaging e spettroscopia nel medio/lontano infrarosso Tra gli obiettivi scientifici: Formazione ed evoluzione delle galassie: formazione stellare dust hidden Dischi protoplanetari Partecipazione ESA per SAFARI ( FIR imaging spectrometer) Partecipazione italiana attraverso il Consorzio SAFARI SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics

19 EUCLID: il primo telescopio spaziale ottico Europeo Merging di SPACE + DUNE Telescopio di 1.2 m Obiettivo scientifico principale: Rivelare la natura di Materia ed Energia Oscure dalla struttura ed evoluzione dellUniverso Strumenti: Distribuzione delle galassie da survey spettroscopica Lensing gravitazionale cosmico da imaging survey Missione Medium Size selezionata da ESA Cosmic Vision per Studio di Fase A

20 EUCLID (II) Slitless spectrograph (baseline) DMD spectrograph (option) PI-ship italiana per la componente spettroscopica (EUCLID-NIS) A. Cimatti (Univ. Bologna) Slitless: > 6 x 10 7 redsh. (0.5 2 x 10 8 redsh. (0

21 Il futuro delle survey in banda X WFXT ROSAT WFXT z>1 XMM, z>1 Wide Field X-ray Telescope - WFXT Medium Class Mission Obiettivo: Survey soft X su tutto il cielo con sensibilita simile ai campi profondi (~ 1 sq. deg.) di Chandra & XMM. Il primo telescopio X disegnato per survey Alta priorita negli studi ASI FS di HEA e COFIS, INAF PLT Sottomesso alla US Astro-2010 Decadal Survey Notevole contributo italiano (supportato da ASI) per: - Sviluppo tecnologico (specchi) - Definizione del caso scientifico R. Giacconi (Premio Nobel 2002): La mia migliore idea su un telescopio da costruire.

22 Le sinergie delle survey multi-banda Il campo COSMOS: ~ 2 sq.deg. coperti da terra e dallo spazio, dalle frequenze radio alla banda X Evoluzione della popolazione delle galassie e degli AGN Evoluzione di ammassi di galassie Tomografia della distribuzione di DM Galassie - HST Il futuro: migliaia di sq.deg. con sensibilita superiore a COSMOS La comunita italiana ha le competenze tecnologiche e scientifiche per un ruolo di primo piano! Gas X-ray (XMM)DM - lensing

23 Alcune considerazioni programmatiche Strategia coerente perseguita dalla comunita italiana impegnata nella ricerca su Formazione di Strutture Cosmiche 1. Natura di Materia ed Energia Oscure e le leggi fondamentali dellUniverso: partecipazione a missioni per survey ottiche/near-IR e X (EUCLID, WFXT, GAIA) 2. Come si sono create le galassie? partecipazione a missioni di grande sensibilta (JWST, IXO, SPICA) 3. Stretta collaborazione con comunita di CMB, AAE, teorico/numerica e astroparticellare. LItalia ha un ruolo primario (da mantenere) per: Proposizione e definizione del caso scientifico Sviluppo tecnologico ed implementazione Sfruttamento scientifico dei dati osservativi


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