Morfologia e classificazione delle galassie Enrico Maria Corsini Dipartimento di Astronomia Università di Padova Lezioni del corso di Astrofisica I V.O. A.A. 2003-2004

Sommario Cenni storici Scopo delle classificazioni morfologiche Classificazione morfologica di Hubble Classificazione morfologica di de Vaucouleurs Classificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov Classificazione morfologica di van den Bergh Classificazione morfologica di Arp Classificazione morfologica delle galassie attive Classificazione delle galassie ad alto redshift

Cenni storici Galileo (1564-1642): natura stellare della Via Lattea I. Kant (1724-1804), E. Swedenborg (1688-1772), T. Wright (1711-1786): speculazioni filosofiche sugli universi isola W. Herschel (1738-1822): General Catalog of Nebulae, forma della Via Lattea H. Shapley (1885-1972): posizione eccentrica del Sole H. Curtis (1872-1932): nebulose extragalattiche E. Hubble (1889-1953): distanza M31 (1924)

Scopo delle classificazioni morfologiche La classificazione morfologica è il primo passo verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad alto redshift) La morfologia è correlata con molte delle proprietà globali delle galassie (a.e. popolazioni stellari, momento angolare, tasso di formazione stellare, contenuto di gas, ambiente) Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione ed evoluzione delle galassie

Limiti delle classificazioni morfologiche Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble, de Vaucouleurs, Vorontsov-Velyaminov, [van den Bergh], Arp): si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini (lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR) sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e banda passante delle immagini analizzate dipendono dai criteri di classificazione adottati

M81

M81 (NGC 3031) UV Ottico IR

Classificazione morfologica di Hubble Introdotta da Hubble nel 1926 (E-S-Irr) Perferzionata da Hubble nel 1936 (E-S0-S-Irr) Descritta e illustrata nel The Hubble Atlas of Galaxies (Sandage 1961) Applicata a 1200 galassie del A Revised-Shapley Ames Catalog of Bright Galaxies (Sandage & Tammann 1981) Trova la sua esposizione finale nel The Carnegie Atlas of Galaxies (Sandage & Bedke 1994)

Hubble: tipi morfologici È la classificazione più usata e fornisce la terminologia di base Hubble distigue le galassie in quattro famiglie: - galassie ellittiche (E) - galassie lenticolari normali (S0) e barrate (SB0) - galassie a spirale normali (S) e barrate (SB) - galassie irregolari (Irr) e le colloca lungo cosiddetto diagramma a diapason (tuning-fork diagram)

M87 (NGC 4486) E0

NGC 3384 S0 NGC 4596 SB0

M63 (NGC 5055) Sb NGC 1365 SBb

Sextans A Irr I M82 (NGC 3034) Irr II

Hubble: diagramma a diapason

Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari Irr I Irr II Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari

Hubble: galassie ellittiche Forma (apparente) ellittica Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri I sottotipi sono definiti sulla base dello schiacciamento apparente (ellitticità) En, n=0,1,…7 con n = 10 e = 10 (1-b/a) b e = 1 – b/a a

b/a 1 0.7 0.5 0.3 1-b/a tipo E0 E3 E5 E7

Hubble: galassie lenticolari Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco senza evidenza di bracci di spirale Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0) I sottotipi S01, S02, S03 sono definiti dalla: - prominenza delle polveri nel disco I sottotipi SB01, SB02, SB03 sono definiti dalla: - prominenza delle polveri e della barra

NGC 3245 S01 NGC 4111 S02 NGC 5866 S03

Hubble: galassie a spirale Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB) I sottotipi Sa, Sb, Sc sono definiti da tre criteri: - prominenza del bulge rispetto al disco - angolo di attacco dei bracci a spirale - risoluzione del disco in stelle, nodi, regioni HII

Sa Bulge molto prominente Sc Bulge poco prominente / assente

  = pitch angle

Sa Bulge molto prominente Bracci molto avvolti Bracci poco risolti Sc Bulge poco prominente Bracci poco avvolti Bracci molto risolti

NGC 1302 Sa NGC 2841 Sb NGC 628 Sc NGC 175 SBa NGC 1300 SBb NGC 7741 SBc

Hubble: galassie irregolari Poca o nessuna simmetria Due sottoclassi: tipo I (Irr I) e tipo II (Irr II) - Irr I: fortemente risolte in stelle (a.e. LMC) - Irr II: caotiche e disturbate (a.e. M82)

LMC Irr I M82 (NGC 3034) Irr II

Successivamente vengono distinte in irregolari di tipo magellanico (Im) e in irregolari barrate di tipo magellanico (IBm) rispettivamente poste lungo la sequenza delle S e delle SB

Hubble: evoluzione storica Irr I Irr II

Sandage (1961) introduce due ulteriori sottotipi per segnalare la presenza di un anello (r) o dei soli bracci a spirale (s)

Hubble: problemi La classificazione è definita su galassie prototipo di tipo gigante e supergigante nel campo o in piccoli ammassi Le S0 in media sono meno luminose sia delle E che delle Sa. Questo indica che non tutte le S0 hanno proprietà fisiche intermedie tra ellittiche e spirali Le spirali barrate di tipo avanzato sono meno brillanti delle spirali non barrate della stessa classe Mancano criteri oggettivi per distinguere le spirali di tipo molto avanzato e le irregolari La classificazione per le spirali avanzate non distingue chiaramente tra effetti di luminosità e di popolazione

Classificazione morfologica di de Vaucouleurs Introdotta da de Vaucouleurs nel 1959 Estende la classificazione di Hubble Descritta e illustrata nel Reference Catalog of Bright Galaxies (RC1, de Vaucouleurs et al. 1964) Applicata a 23000 galassie del Third Reference Catalog of Bright Galaxies (RC3, de Vaucouleurs et al.1991)

de Vaucouleurs: tipi morfologici È una classificazione “tridimensionale” De Vaucouleurs distingue le galassie secondo tre parametri: - Sequenza morfologica principale E-E+-S0--S0-S0+-Sa-Sb-Sc-Sd-Sm-Im - Presenza della barra SA = senza barra, SAB = barra debole, SB = barra - Tre varietà (r) = anello, (s) = prenza dei soli bracci a spirale, (rs) e le colloca lungo cosiddetto diagramma a fuso

de Vaucouleurs: diagramma a fuso

de Vaucouleurs: tipo T La posizione di una galassia lungo l’asse principale della classificazione può essere espressa tramite il numero T (Hubble stage) Hubble E E-S0 S0/a Sa Sa-b Sb Sb-c Sc IrrI de Vauc. E+ S0- S0 S0+ Sab Sbc Scd Sd Sdm Sm Im T -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

de Vaucouleurs: codici

NOME CODICE TIPO NGC 4486 .E+0+P. E+0-1 pec NGC 4697 .E.6… E6 NGC 3115 .L..-./ S0- sp NGC 2855 RSAT0.. (R)S0/a(rs) NGC 6782 RSXR1.. (R)SABa(r) NGC 2775 .SAR2.. Sab(r) NGC 7741 .SBS6.. SBcd(s) NGC 3034 .I.0../ I0 sp

de Vaucouleurs: problemi I colori di SA e SB della stessa classe sono molto simili. Questo indica che le differenze tra SA e SB non riguardano le popolazioni stellari La dicotomia tra varietà (r) e (s) è un aspetto secondario della morfologia La classificazione per le spirali avanzate non distingue chiaramente tra effetti di luminosità e di popolazione. Le spirali Sc-Sd-Sm diventano al tempo stesso più blu e più deboli

Classificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov Introdotta da Vorontsov-Velyaminov e Krasnogorskaja nel 1962 Descritta e illustrata nel Morphological Catalog of Galaxies Applicata a 29000 galassie È una classificazione puramente descrittiva

Morfologia e luminosità Il grado di sviluppo della struttura a spirale (grand design vs multiple arms) dipende dalla luminosità delle galassie I sottotipi Sa-Sb-Sc sono ben definiti per galassie giganti e supergiganti, mentre per le galassie di bassa luminosità si distinguono solo i casi estremi La frazione di irregolari cresce al diminuire della luminosità La frazione di spirali barrate è minore tra le galassie gignti e maggiore tra le galassie nane

NGC 3031 Sb Grand design spiral NGC 3223 Sb Multiple-armed spiral

Classificazione morfologica di van den Bergh Trova la sua definizione finale in A New Classification System for Galaxies (vdB, 1976, ApJ, 206, 883) Nota anche come classificazione DDO (David Dunlap Observatory) van den Bergh introduce le classi di luminosità I = supergiganti, II = giganti brillanti, III = giganti, IV = sub-giganti, V = nane

van den Bergh: classi di luminosità NGC 1232 Sc I M33 (NGC 598) Sc II-III

van den Bergh: tipi morfologici Distingue le galassie secondo due parametri: - Assenza/presenza del disco ettittiche - galassie a disco (S0,A,S) - Abbondanza di gas nel disco S0 = no gas, A = poco gas, S = molto gas e le colloca lungo cosiddetto diagramma a tridente

van den Bergh: diagramma a tridente Lenticolari Anemiche Spirali Sferoidi Dischi

van den Bergh suddivide ulteriormente le galassie a disco in base - al rapporto disco-bulge nelle sottoclassi a,b,c a D/B = 1-3, b D/B = 3-10, c D/B > 10 - alla presenza della barra S = no barra, S(B) = barra debole, SB = barra - alla forma dei bracci * = irregolari, n = omogenei t = effetti mareali

D/B=1-3 D/B=3-10 D/B>10

NGC 3115 S0a NGC 2855 Aa NGC 2775 Sa

Classificazioni morfologiche delle galassie normali

Galassie non classificabili 2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti NGC 5128 S0+S pec NGC 4038/39 Sc (tides)

Classificazione morfologica delle galassie peculiari e interagenti di Arp Riguarda le galassie con morfologie disturbate e peculiari che non rientrano nello schema di Hubble/Sandage/de Vaucouleurs Descritta e illustrata in Atlas of Peculiar Galaxies (1969) Applicata a 338 oggetti (galassie, coppie, gruppi)

Arp: tipi morfologici

Arp 2 (DDO 204) LSB Arp 25 (NGC 2276) heavy arm Arp 78 (NGC 772) small HSB comp Arp 145 associated ring

Arp 227 (NGC 474) concentric rings Arp 244 (NGC 4038/39) fission Arp 329 chain of galaxies Arp 271 (NGC 5426/27) connected arms

Classificazione (morfologica) delle galassie attive Proposta da van den Bergh (1998) Tiene conto anche delle proprietà spettrali

Classificazione morfologica delle galassie ad alto redshift Problemi dei metodi classici di classificazione (basati sull’ispezione visuale): - risoluzione - cosmological dimming (I(1+z)4) - redshift - k-correction Classificazione C-A (Abraham et al. 1994, ApJ 432, 75): - parametro di concentrazione C = R50/R90 - parametro di asimmetria A

Evoluzione morfologica SAC = Revised Shapley-Ames Catalog MDS = Medium Deep Survey (z0.5, t5 Gyr) HDF = Hubble Deep Field (z>0.8, t>7 Gyr)

La frazione di E/S0 rimane costante al crescere di z (= si formano a alto z) La frazione di S/Ir decresce al crescere di z (= le S non si sono ancora assemblate all’epoca dell’HDF) La frazione di galassie peculiari cresce al crescere di z (= galassie in interazione)

A z=0 la frazione di SB varia tra 30% (B) a 70% (NIR) La distinzione S/SB (= tuning fork) vale per z<0.5 La frazione di SB decresce al crescere di z (= dischi troppo giovani/caldi per sviluppare la barra)

HDF 2-86 proto-S? HDF 3-312 proto-S HDF 2-243 merging HDF 4-105 SB?

Grado di interazione: w=0 nessuna distorsione, w=1 possibile distorsione, w=2 code mareali, w=3 forte interazione, w=4 merging La frazione di galassie interagenti/merging cresce al crescere di z (= building blocks)