E' risaputo che molte galassie hanno forma a spirale La struttura a spirale E' risaputo che molte galassie hanno forma a spirale Nell'ottico tale struttura e' evidenziata da stelle OB e le regioni HII La galassia Andromeda; M31 Picture Credit: The Electronic Universe Project La galassia Whirlpool; M51 Image Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Acknowledgment: N. Scoville (Caltech) and T. Rector (NOAO)
La struttura a spirale Questa mappa non la dice tutta! Nonostante alcuni tentativi (es. Morgan, Sharpless & Osterbrock 1951), una visione globale della struttura a spirale della nostra Galassia ha dovuto attendere lo sviluppo della Radioastronomia Oort, Westerhout & Kerr 1958 Emissione di riga HI (Olanda e Australia) Posizione dell'HI: metodo delle distanze cinematiche Abbondanza dell'HI: derivato dall'intensita' della riga Questa mappa non la dice tutta!
La struttura a spirale L'assunzione principale e' che il gas si muova su orbite esattamente circolari Questa assunzione va contro la teoria della struttura a spirale (vedi dopo) Piccole deviazioni dal moto puramente circolare causano cambiamenti significativi nella mappa Le dita di gas che escono dal Sole ne sono un esempio (il gas vicino al Sole dovrebbe avere V(LSR) ~ 0, ma a causa dei moti non-rotazionali la vera distribuzione viene allungata)
La struttura a spirale Gli oggetti associati con stelle OB, sono: - regioni HII - nubi molecolari - resti di supernova - raggi γ Sommando su anelli concentrici l'abbondanza di questi anelli si ottiene: un picco per rsol/2 un decadimento fino a rsol La struttura a spirale e' confinata fra ~ rsol/2 e ~ rsol (oltre, i traccianti si indeboliscono)
La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale La struttura a spirale e' evidenziata da complessi di regioni HII giganti illuminate (per fluorescenza) da stelle OB Vita di una Galassia: ~ 1010 anni Vita di una stelle OB: ~ 106 anni Formazione continua di nuove stelle NGC4622 (tipo Sb) Image Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Il braccio e' fatto di materia La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma Cosa scatena la formazione simultanea di stelle in un fronte cosi' lungo e stretto come il braccio a spirale? La materia da cui si formano le stelle (gas e polvere) si trova proporio nel braccio, quindi... Il braccio e' fatto di materia FALSO!
La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma Dopo un'orbita, la nube ha gia' creato un "ricciolo" Una nube impiega ~ 108 anni per fare un giro L'eta' della Galassia e' di ~ 1010 anni 100 "riccioli"?....NO! (Attorcigliamento) I bracci di solito hanno ~ 2 "riccioli" • + Tempo 2 Tempo 3 Tempo 1 ?
La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma Il braccio nelle galassie a spirale non e' di materia. Il braccio e' un'onda di densita' mantenuta dall'auto-gravita' della distribuzione su larga scala della materia (Lin & Shu 1963, seguendo Lindblad B. & Lindblad P.O.)
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' (idea di base) Immaginiamo: - Le stelle sono come auto in differenti corsie circolari in moto differenziale - Ci sono i lavori in corso in una delle corsie - Lungo quel punto abbiamo un ingorgo: le auto si compattano, poi si sgranano e poi, NUOVE auto si ri-compattano - Le macchine fluiscono attraverso i lavori, ma per chi fotografa dall'alto (es. da un elicottero) il compattamento avviene sempre in quel punto (quello dei lavori in corso) - I lavori procedono lungo la corsia La velocita' delle macchine e' (solitamente) diversa da quella alla quale procedono i lavori
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' (idea di base) L'Analogia L'ingorgo (il braccio-onda) e' l'onda di densita' di macchine (stelle) La velocita' del massimo di densita' (la velocita' dell'onda) puo' essere diversa dalla velocita' delle singole auto (la velocita' del materiale) Ma cosa causa l'ingorgo? Cos'e' rappresentano i lavori in corso?
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Il campo gravitazionale causato dal fatto che la Galassia a spirale NON ha una distribuzione di materia perfettamente assi-simmetrica
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Orbita media di una stella (o nube di gas) in un disco galattico imperturbato = moto circolare attorno ad un centro con velocita' Ω + (a)
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Campo gravitazionale perturbante = periodico in t (tempo) e in φ (azimuth) + (b)
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Moto risultante nel sistema di riferimento (s.d.r.) corotante con la perturbazione (velocita' angolare Ωp = ω/m), ossia il campo perturbante e' indipendente dal tempo La risposta stazionaria in questo s.d.r. e' una rotazione media con V angolare relativa = Ω- Ωp che porta l'oggetto attorno ad un cerchio distorto che contiene m "dossi" Per m=2, il cerchio distorto e' un ovale (nel s.d.r. Ωp). Applicando la perturbazione a diversi raggi r, si ottengono:
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Ovali concentrici : se la fase del campo perturbante e' = per tutti gli r (osservato nel centro di molte galassie) (c) m=2
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Una spirale a due bracci : se la fase angolare ha una variazione monotonica Φ(r) a diversi r (d) m=2
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' + (a) + (b) (c) (d) m=2
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' L'essenza della teoria delle onde di densita' e': - trovare la forma funzionale della funzione di fase, Φ(r), e di ampiezza, A(r), in modo che la perturbazione sia un "modo normale" dell'oscillazione del sistema. Per un tale modo normale, il campo gravitazionale disturbante associato con la distribuzione non assisimmetrica di materia e' precisamente uguale al campo perturbante richiesto per provocare la risposta non assi-simmetrica in primo luogo.
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Forma perturbata dell'equazione di Boltzmann nell'ipotesi di assenza collisionale Campo gravitazionale risultante dovuto a stelle e gas Risposta in densita' del disco stellare Risposta in densita' del disco gassoso Risposta totale nella distribuzione di materia nel disco Materiale totale necessario per mantenere il campo gravitazionale risultante Questa equazione serve a specificare completamente le proprieta' dell'onda, e quindi, la forma della spirale + = Fluido-idrodinamica
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Calcoli del modo normale: es. Toomre; Lin; et al. Alcuni dei modi a spirale sono leggermente instabili e la loro amplitudine tende a crescere spontaneamente Barre (Merging)
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Spirali molti-bracci e filamentari (sovrapposizione di molti modi normali "puri"?) Spirali con un'unica, chiara struttura a bracci (un solo modo normale dominante?)
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Fra tutti i dubbi una delle deduzioni che sembra piu' solida e confermata dalle osservazioni e' che: Le strutture a due bracci sono dominanti La teoria delle onde di densita' prevede che strutture dell'onda possano esistere solo dove la velocita' della perturbazione e':
La struttura a spirale La teoria delle onde di densita' Risonanza interna di Lindblad: il raggio per cui Risonanza esterna di Lindblad: il raggio per cui Per m=3,4,.. E' piccolo (poco probabili) Per m=0 L'effetto e' simile al disco in equilibrio Per m=1 Il tasso di crescita minore Range principale Le onde di spirali a due bracci dominano perche: Crescono molto prima di saturare Hanno un range principale grande La risposta dell'ISM le rende "visibili" (vedi dopo)
La struttura a spirale Perche' la struttura a spirale? La motivazione di base perche' una galassia che ruota velocemente e con rotazione differenziale generi onde di spirale e' il tentativo della galassia a guadagnare energia "legante" per le sue parti interne. L'idea e' simile, MA DIVERSA da quella della stella. La conservazione del momento angolare non permette di contrarre a piacere le parti interne della galassia (la contrazione aumenta la rotazione, e quindi la forza centrifuga). L'onda di densita' della spirale (trailing) e' esattamente cio' che permette di trasferire via il momento angolare. Quello che nei dischi di accrescimento stellari viscosi fa l'attrito, nei dischi galattici ("encounterless") fa l'auto-gravita' di un modo normale non-assisimmetrico dell'oscillazione.
La struttura a spirale La nascita delle stelle nei bracci a spirale La proposta teorica che la struttura a spirale sia un fenomeno ondulatorio e' verificato da alcune osservazioni: Studi della struttura di alcune spirali esterne (vedi dopo) -90 -60 -30 0 30 60 90 5 4 3 2 1 Angolo azimutale (o) Compressione della densita' superficiale 128 32 8 Shock Galattico La differenza di massa fra i bracci e quella media dei dischi e' piccola, ma la luce visibile (soprattutto nel blue) e' molto maggiore Il gas e la polvere dell'ISM hanno velocita' randomatiche piu' piccole di quelle delle stelle di disco e quindi rispondono piu' non-linearmente all'onda di densita' di piccola ampiezza (Prendergast...Fujimoto & Roberts).
La struttura a spirale La nascita delle stelle nei bracci a spirale Velocita' di dispersione tipiche: - 128 km/s per le stelle dell'alone (nessuna struttura a spirale) - 32 km/s per le stelle di disco (debole struttura a spirale) - 8 km/s gas interstellare (struttura a spirale pronunciata; shock e incremento nello SFR dietro di esso) Tutto vero!!! Il processo di formazione stellare e' complesso: Instabilita' di Parker, Massa di Jeans, etc...
La struttura a spirale La nascita delle stelle nei bracci a spirale Bande di polveri Bulge Lato vicino Lato lontano E la polvere? Ci aspettiamo che anch'essa si comprima e accumuli dietro lo shock, ossia nella parte interna del braccio Vero anche questo!!! Le bande di polvere ci danno un'indicazione dell'inclinazione e del senso di rotazione della struttura a spirale
La struttura a spirale La nascita delle stelle nei bracci a spirale Le osservazioni inteferometriche radioastronomiche dell'idrogeno atomico hanno permesso di paragonare densita' e campi di velocita' teorici e osservativi (es. M81; Rots, Shane, & Visser) Buon accordo!!! E nella nostra Galassia???
La struttura a spirale
La struttura a spirale