1 La fisica stellare come “stele di Rosetta” per “l’archeologia” delle popolazioni stellari galattiche NGC 346

2 Struttura della Galassia 1 pc ≈ 3.26 anni luce ≈ km  parsec  anni luce

3 Ricostruzione della Via Lattea vista dall’alto  anni luce

La Via Lattea osservata in infrarosso dal satellite COBE LA VIA LATTEA IN INFRAROSSO 4

Milky Way structure Disk structure Globular cluster Sun Open cluster

6 GLI AMMASSI STELLARI Insiemi di stelle (da circa 1000 ad ) con composizione chimica ed eta’ praticamente identiche ma con massa diversa  formatesi dal collasso di una stessa nube interstellare Possiamo comprendere la storia della formazione della nostra galassia? Gli ammassi della nostra galassia si dividono in due tipi : AMMASSI GLOBULARI ED AMMASSI APERTI con caratteristiche morfologiche, fotometriche, chimiche e dinamiche diverse che indicano una diversa storia evolutiva

7 Principali osservabili stellari: luminosità e temperatura superficiale Luminosità: energia totale emessa dalla stella per unità di tempo

8 Temperatura → direttamente collegabile al colore della stella

9 NGC 290

10 Insieme di stelle disposte con simmetria sferica Assenza di gas e polveri interstellari  Insieme di stelle disposte con simmetria sferica  Assenza di gas e polveri interstellari Ammassi Globulari Ammasso globulare NGC 2808

11 Le stelle più luminose sono di colore arancio-rosso  Le stelle più luminose sono di colore arancio-rosso Ammasso globulare M55

12 Ammasso globulare M80

13 Ammasso globulare M15

14 Ammasso globulare M4

15 composizione chimica degli ammassi globulari: scarsa abbondanza di elementi piu’ pesanti dell’elio ( grammi in un grammo di materia stellare)  composizione chimica degli ammassi globulari: scarsa abbondanza di elementi piu’ pesanti dell’elio ( grammi in un grammo di materia stellare) COMPOSIZIONE CHIMICA L’idrogeno e’ l’elemento piu’ abbondante nell’Universo In generale la materia stellare ed interstellare e’ costituita per oltre il 97% da H ed He costituita per oltre il 97% da H ed He

16 Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia  Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia

17 Ammassi aperti stelle disposte in configurazione irregolare  stelle disposte in configurazione irregolare Presenza di gas e polveri interstellari  Presenza di gas e polveri interstellari Distribuiti sul disco della Galassia  Distribuiti sul disco della Galassia composizione chimica: piu’ ricchi degli ammassi aperti in elementi piu’ pesanti dell’elio ( grammi su un grammo di materia stellare)  composizione chimica: piu’ ricchi degli ammassi aperti in elementi piu’ pesanti dell’elio ( grammi su un grammo di materia stellare) Ammasso aperto M 6

18 L’ammasso aperto M7 Le stelle più luminose sono di colore bianco-blu  Le stelle più luminose sono di colore bianco-blu

19 L’ammasso aperto delle Pleiadi ….”ma oltre alle stelle di sesta grandezza si vedrà col cannocchiale un così gran numero di altre, invisibili alla vista naturale, che appena è credibile: se ne possono vedere infatti più di quante ne comprendano le altre sei diverse grandezze…(Galileo Galilei, Sidereus nuncius, 1610)”

20 Ammasso aperto NGC 6791

21 Ammasso aperto M 7

22 Ammasso aperto NGC 4755

23 Gli ammassi aperti mostrano moti circolari sul  Gli ammassi aperti mostrano moti circolari sul disco attorno al centro della Galassia Gli ammassi globulari presentano moti ellittici  Gli ammassi globulari presentano moti ellitticinell’alone

Mass : ~ 10 5 – few 10 6 solar masses Metallicity (Z): ~ Age: > 10 Gyr Number (Milky Way) ~150 Galactic population: halo, thick disk, bulge Orbite ~ ellittiche Globular clusters versus open clusters Mass : ~ 10 2 – ~ 10 4 solar masses Metallicity (Z): ~ Age: Myr-few Gyr Number (Milky Way) ~2000 Galactic population: thin disk Orbite ~ circolari Open cluster are weakly gravitationally bounded mean lifetime < 1 Gyr no more present in the halo

26 Prima di interpretare gli ammassi stellari occorre capire il funzionamento delle stelle...

27 Evoluzione stellare: le stelle “nascono”, “vivono” e “muoiono” cambiando nel tempo le loro caratteristiche fisiche Come nascono le stelle?

28 Le stelle nascono all’interno di una nube di gas interstellare...

La quasi totalità delle stelle nasce in gruppo…

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33 Nebulosa “testa di cavallo” in Orione

34 Formazione stellare Orione

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36 FORMAZIONE STELLARE IN M 16

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38 Una stella in formazione raggiunge l’equilibrio quando la pressione del gas controbilancia la forza di autogravitazione che tenderebbe a farla collassare su se stessa

39 La stella è in equilibrio però è calda e quindi irraggia La stella è in equilibrio però è calda e quindi irraggia Irraggiando perde energia  la pressione del gas diminuisce  Irraggiando perde energia  la pressione del gas diminuisce  contrazioni tra stati di “quasi equilibrio”

40 I tempi evolutivi in questa fase sono guidati dal tempo di I tempi evolutivi in questa fase sono guidati dal tempo di trasporto del calore nella stella: tempi scala termodinamici circa 10 milioni di anni

41 Quando si ferma la contrazione? Quando la stella raggiunge temperature tali da innescare le reazioni di fusione nucleare che forniscono l’energia necessaria a rimpiazzare le perdite per irraggiamento

42 Fusione nucleare Due o più nuclei si fondono insieme in un nucleo la cui massa è inferiore a quella dei nuclei reagenti  la differenze di massa si libera sotto forma di energia

43 Come funziona? Le stelle sono sistemi controreazionati positivamente: l’efficienza delle reazioni nucleari controbilancia esattamente le perdite per irraggiamento La stella è in equilibrio: la pressione del gas caldo controbilancia la forza di gravità e l’energia per irraggiare è fornita dalle reazioni nucleari

44 … Si accendono le reazioni nucleari… Fine dell’evoluzione stellare? NO : man mano che la stella fa fusioni nucleari la quantità di combustibile diminuisce  la stella adesso evolve su tempi scala di consumo del combustibile nucleare (tempi scala nucleari)

45 ….Dipende dalla massa della stella..…piu’ la stella e’ massiccia piu’ e’ calda e luminosa e piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare Stelle massicce  calde e luminose  tempi di vita brevi Il Sole impiegherà 10 miliardi di anni ad esaurire l’H al centro mentre una stella di 15 masse solari ne impiega 10 milioni Quanto sono questi tempi scala nucleari?

46 Stelle massicce  calde e luminose  tempi di vita brevi

47 Stelle grandi  calde e luminose  tempi di vita brevi Una stella e’ in equilibrio tra la forza gravitazionale e la pressione del gas caldo che la costituisce L’energia per mantenere calda la stella e’ fornita dalle reazioni nucleari Piu’ la stella e’ grande piu’ rapidamente consuma il combustibile nucleare QUAL’E’ LA SPIEGAZIONE DELLE CARATTERISTICHE OSSERVATE?

48 DEDUZIONI  Gli ammassi aperti contengono stelle blu  sono ammassi giovani  Gas e polveri nel disco Galattico  formazione stellare ancora attiva  Gli ammassi globulari sono ammassi piu’ antichi in cui le stelle piu’ grandi (blu) sono gia’ “morte”  La forma sferica degli ammassi globulari indica che e’ stato raggiunto l’equilibrio tra le interazioni gravitazionali delle stelle componenti  ammassi antichi  Alone privo di gas  formazione stellare ormai inibita

49 Gli elementi piu’ pesanti dell’elio vengono prodotti SOLO all’interno delle stelle per mezzo di fusioni nucleari ed immessi nello spazio interstellare grazie ai venti stellari e soprattutto all’esplosione delle stelle massicce (>10 Mo) alla fine della loro vita (supernovae) COMPOSIZIONE CHIMICA

50 DEDUZIONE DEDUZIONE  Gli ammassi globulari sono ammassi di “prime generazioni” (popolazione II) formatesi da materia originata dalla nucleosintesi primordiale ed elaborata da poche generazioni stellari precedenti  Gli ammassi aperti sono ammassi formatesi da materia “riciclata” da numerose generazioni stellari precedenti e poi reimmessa nelle nubi interstellari (popolazione I)

51 ESISTE UNO SCENARIO DI FORMAZIONE DELLA GALASSIA CHE INTERPRETI LE OSSERVAZIONI?

Tutto risolto? No!..restano numerosi problemi aperti...

Ci sono forti indicazioni che l’alone della nostra galassia abbia catturato galassie nane.....

54 L’ammasso globulare Omega Centauri

55 Marino et al. (2011) Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri

potrebbe essere il nucleo di una galassia nana catturata dall’alone galattico Omega Centauri... Il puzzle però non è ancora completo!

57 Le stelle negli ammassi globulari: stelle sorelle o gemelle monozigote? ?

58 Fino a meno di una decina di anni fa si riteneva che tutte le stelle di un ammasso si fossero formate in tempi brevi rispetto all’età dell’ammasso stesso da una stessa nube interstellare. Tutte le stelle di un ammasso erano supposte quindi avere piu’ o meno la stessa età e composizione chimica (ma massa diversa) cioè essere stelle gemelle monozigote

Adesso invece sappiamo che gli ammassi globulari ospitano almeno due popolazioni stellari nate in tempi diversi e con composizioni chimiche diverse!  le stelle di seconda generazione sono le sorelle minori! L’ipotesi più plausibile è che le stelle di seconda generazione si siano formate principalmente da materiale espulso dalle stelle di prima generazione  le stelle di seconda generazione sono le sorelle minori!

60 COSA C’E’ FUORI DALLA NOSTRA GALASSIA?

61 La Grande Nube di Magellano

62 L’ammasso NGC 1850 nella Grande Nube di Magellano

63 Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano

64 Formazione stellare nella Grande Nube di Magellano

65 La piccola Nube di Magellano

E PIU’ LONTANO? Galassie del gruppo locale

67 La galassia di Andromeda

68 Ammassi in Andromeda osservati con il telescopio Hubble

69 La galassia nana del Sagittario

70 La galassia nana Sextans

71 La galassia nana NGC 6822

72 La galassia nana Pegasus

73 La galassia nana Dwingeloo

74 Ammasso globulare nell’alone della galassia ellittica NGC5128 (distante 13 milioni di anni luce) uno dei piu’ distanti ammassi globulari di cui sia possibile studiare le stelle individualmente

C’E’ ANCORA MOLTISSIMO DA FARE.....PER FORTUNA!! i lavori sono ancora in corso!

Hubble Space Telescope gallery: Astronomy picture of the day archive: ESO gallery:

77 Ammasso globulare M4

78 Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia  Gli ammassi globulari sono disposti nell’alone in configurazione sferica attorno al centro della Galassia

The isochrone/synthetic cluster (The theoretical counterpart of an observed cluster HR diagram) (Krauss 2003)

82 Diagramma Colore-Luminosità per l’ammasso globulare M55

83 Perché le stelle impiegano così tanto tempo a raffreddarsi? Perché i fotoni (che trasportano il calore) nell’interno della stella non compiono un tragitto rettilineo ma un percorso casuale a “zig-zag” interagendo con le particelle del gas stellare.

The primordial population is present in all GCs The second generation constitutes the bulk (60  70%) of stars The Na-O anticorrelation Carretta et al. (2010) Probably GCs host at least two stellar generations

86 Marino et al. (2011) Distribuzione in abbondanza di ferro delle stelle di Omega Centauri

...mentre una sostanziale frazione delle stelle originariamente appartenenti agli ammassi globulari potrebbe essersi dispersa nell’alone... (Bekki et al. 2007, Baumgardt et al.2008,Helmi 2008,McLaughlin and Fall 2008) (Gratton R.,talk 2012) Filled circles: field stars (Ivezic et al. 2008) Red solid lines = generalized histograms for globular clusters

What about open clusters? The population of open clusters could include two groups (Gozha et al. 2012) Field disk stars -The bulk of disk clusters formed with the interstellar matter of the thin disk with nearly solar metallicity -A fraction (<1/3) of peculiar clusters with a metallicity much lower than the mean of the thin disk e/o galactic orbits typical of objects of older Galactic subsystems (see also Yong et al. 2005) (Andreuzzi et al. 2012) Open clusters Merging of dwarf galaxies?