Formazione delle Strutture Cosmiche 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” (2004-2009) "Feasibility study on High Energy Astrophysics: fields of interest and perspectives for the national community” (2004-2009) “Piano lungo termine (PLT) INAF” (2008-2018) Talk @ ASI Workshop, Roma, 2 & 16 Dicembre 2009

Da ESA - Cosmic Vision 2015-2025: Mapping of the large-scale structure of the Universe Da ESA - Cosmic Vision 2015-2025: What are the fundamental laws of the Universe? How did the Universe begin and what is it made of?

Distribuzione delle galassie Lensing gravitazionale Il Contenuto in materia ed energia dell’Universo CMB Sn-Ia Ammassi di galassie Distribuzione delle galassie Lensing gravitazionale

L’impronta di DM e DE sull’evoluzione cosmica  Piccole disomogeneita’ iniziali (CMB)  Amplificazione gravitazionale  Formazione di prime piccole strutture (galassie)  Formazione di strutture piu’ grandi (ammassi) per “merging”

La distribuzione di galassie su grande scala Mappa dell’Universo vicino dalla Sloan Digital Sky Survey (~ 500.000 galassie) Domande fondamentali:  Quale impronta lasciano DM e DE sull’evoluzione del’Universo?  E’ necessario ripensare la natura della gravita’ ?  Quale meccanismo ha generato nell’Universo primordiale i “semi” per formare le galassie? Percival et al. 09

Crescita delle strutture cosmiche: la distribuzione di galassie 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 Percival et al. 09

Forte comunita’ italiana  Eredita’ di Beppo-SAX !! Ammassi di galassie Strumenti per cosmologia e laboratori di astrofisica Presente (in banda X): ~1000 ammassi da ROSAT nell’Universo locale (z<0.2) ~ 40 ammassi distanti (z>0.5) + Osservazioni con Chandra & XMM Abell 1689 Forte comunita’ italiana  Eredita’ di Beppo-SAX !! Cosa e’ richiesto per il futuro? Sensibilita’ ~103 Chandra/XMM:  tracciare il ciclo dei barioni cosmici fino a 1/3 dell’eta’ dell’Universo  tracciare ad alta precisione l’evoluzione delle strutture cosmiche SB et al. 01

Crescita delle strutture cosmiche: gli ammassi di galassie 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 SB & Guzzo 01 Andreon et al. 09 Con Dark Energy Senza Dark Energy JCKS-041: X-ray + ottico ; zphot~1.9  L’ammasso piu’ distante confermato in banda X Ammassi distanti: traccianti sensibili dei costituenti dell’Universo

Le prime galassie e la fine delle “Dark Ages” ~ 2 x108 yr dopo il Big Bang: comparsa di prime stelle e BH ~ 4x108 yr: primi episodi significativi di arricchimento in metalli dell’Universo < 109 yr: l’Universo 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?

Le prime galassie e la fine delle “Dark Ages” Perche’ dallo spazio? Bunker et al. 09: identificazione di 10 galassie a tU~109 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 tU ~ 5 x 106 yr. 2. Contributo alla reionizzazione

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?

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” Popolazione stellare evoluta in ammasso a tU~4x109 yr (Rosati et al. 09) M82: intensa formazione stellare nell’Universo vicino

Il ruolo dell’ “eredita’ “ nell’evoluzione delle galassie Cluster Il ruolo dell’ “eredita’ “ nell’evoluzione delle galassie 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 Field Color coding: B-V

Con quali strumenti?

Missione ESA: lancio 2012 Classe “M” 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 ~109 stelle 2. Ricostruzione di struttura e dinamica della Galassia Coinvolgimento italiano per:  Sistemi di calcolo per archiviazione dati  Validazione astrometria  Supporto analisi dati

James Webb Space Telescope (JWST) the “First Light Machine” NASA top priority “deployable telescope” 6.6 m  = 0.6-28 m Costo: 4 billion $ ~ 100 piu’ sensibile di HST & Spitzer Lancio: 2014 2.2 arcmin > 15 % Tempo di osservazione Lanciatore (Ariane5) NIRSpec MIRI Operations Obiettivo scientifico primario:  Prime galassie formate alla fine delle “Dark Ages” Nessun supporto da ESA per analisi dati:  Supporto da ASI assolutamente necessario!!

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!!

SPICA “Medium Size”: selezionata da ESA Cosmic Vision per Fase A: partecipazione a missione con leadership JAXA SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics  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

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

EUCLID (II) PI-ship italiana per la componente spettroscopica (EUCLID-NIS) A. Cimatti (Univ. Bologna) Slitless spectrograph (baseline) Slitless: > 6 x 107 redsh. (0.5<z<2.0) DMD: > 2 x 108 redsh. (0<z<2.5)  DMD: Baseline nel proposal originale (SPACE)  Notevole impatto sulla scienza  Considerato “opzione” da ESA  Opportuno che ASI difenda EUCLID-NIS da “descoping”!! DMD spectrograph (option)

Wide Field X-ray Telescope - WFXT Medium Class Mission Il futuro delle survey in banda X 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.” WFXT ROSAT WFXT z>1 XMM, Spitzer @ z>1

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 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! Galassie - HST DM - lensing Gas X-ray (XMM)

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 dell’Universo:  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. L’Italia ha un ruolo primario (da mantenere) per:  Proposizione e definizione del caso scientifico  Sviluppo tecnologico ed implementazione  Sfruttamento scientifico dei dati osservativi