Il Mezzo Interstellare (ISM)

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1 Il Mezzo Interstellare (ISM)
Andrea Tarchi Istituto di Radioastronomia - CNR Osservatorio Astronomico - INAF Cagliari

2 La scoperta della polvere interstellare
William Herschel ( ) Rotazione assiale di Marte e Giove Scoperta di Urano "Holes in the sky"

3 La scoperta della polvere interstellare
Coalsack Nebula

4 La scoperta della polvere interstellare
ASSORBIMENTO? William Herschel ( ) Rotazione assiale di Marte e Giove Scoperta di Urano "Holes in the sky"

5 La scoperta della polvere interstellare
Robert Julius Trumpler ( ) Studi su distanze, dimensioni e distribuzione spaziale degli ammassi stellari aperti (Trumpler 1930) Polvere interstellare

6 La scoperta della polvere interstellare
f θ 2 ammassi vicini ammassi lontani brillanza apparente diametro angolare relazione teorica relazione empirica

7 La scoperta della polvere interstellare
a) Gli ammassi lontani sono TUTTI intrinsecamente più grandi? b) Effetto di selezione? c) Gli ammassi lontani sono TUTTI intrinsecamente più deboli? d) Aumento dell'oscuramento con la distanza?

8 La polvere interstellare
La polvere interstellare (interstellar dust) è composta di grani di silicati (es. sabbia) o composti contenenti carbone (es. grafite). La polvere interstellare provoca: l'estinzione (extinction) della luce stellare attraverso una combinazione di assorbimento e scattering l'arrossamento (reddening) della luce stellare a causa della dimensione dei grani (< della λ ottica)

9 La polvere interstellare
Luce blu Grani di polvere Luce blu Luce arrossata

10 La polvere interstellare
Mezzogiorno Tramonto

11 La polvere interstellare
La polvere interstellare (interstellar dust) è composta di grani di silicati (es. sabbia) o composti contenenti carbone (es. grafite). La polvere interstellare provoca: l'estinzione (extinction) della luce stellare attraverso una combinazione di assorbimento e scattering l'arrossamento (reddening) della luce stellare a causa della dimensione dei grani (< della λ ottica) la polarizzazione (polarization) della luce stellare eliminando la luce con vettore di polarizzazione || all'asse maggiore del grano

12 La scoperta del gas interstellare
J. Hartmann (1904) "Investigations on the spectrum and orbit of delta Orionis" Linee di assorbimento Ca ionizzato `stazionarie' verso un sistema binario origine esterna al sistema?

13 La scoperta del gas interstellare
V V|| Nube di gas interstellare Spostamento Doppler:

14 La scoperta del gas interstellare
J. Hartmann (1904) "Investigations on the spectrum and orbit of delta Orionis" Linee di assorbimento Ca ionizzato `stazionarie' verso un sistema binario origine esterna al sistema? Spostamento `fisso' dovuto a componente || alla l.o.s. della velocita' della nube, ma varia su tempi scala > di quelli del periodo orbitale della binaria

15 La scoperta del gas interstellare
Le righe interstellari erano piu' strette di quelle delle fotosfere stellari. Le velocita' radiali dell'assorbimento mostravano la doppia sinusoide, ma con ampiezza corrispondente alla meta' della distanza della stella. Il gas assorbente e' relativamente freddo, composto da nubi diffuse Lo spazio interstellare non e' vuoto!!!

16 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Polvere e gas nello spazio interstellare sono mischiati in nubi chiamate Nebulose gassose (gaseous nebulae) La polvere e' percentualmente poca (Galactic dust-to-gas mass ratio ~ 1%), ma e' importante per il suo forte effetto oscurante

17 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
L'aspetto delle Nebulose gassose dipende dalla: frequenza a cui vengono osservate loro distanza dalle stelle circostanti

18 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Dark Nebulae Horsehead Nebula Bok globules in IC2948 Dark nebulae B92 and B93 in Sagittarius Bloccano la luce delle stelle Sono gli `holes in the sky' di Herschel Qualche stella e' di fronte Sono siti di formazione stellare Hanno forme regolari Sono auto-gravitanti Siti di formazione stellare?

19 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Reflection Nebulae Un gas o della polvere circondanta da una o piu' stelle puo' brillare di luce riflessa (Hubble; Russell 1922) La reflection nebula risulta piu' blu a causa dello "scattering selettivo" Le Pleiadi

20 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Planetary Nebulae La planetary nebula e' simile ad una regione HII, ma l'oggetto eccitante e' un stella calda nelle sue fasi evolutive finali E' solitamente piu' densa e compatta di una regione HII visibile nell'ottico

21 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Gli atomi di idrogeno in una nube interstellare vicino ad una stella calda (di tipo spettrale O o B) e' esposta a forte radiazione UV Se l'energia dei fotoni > limite Lyman = 13.6 eV (=91.1 nm) -> HI diventa HII Sfera di Stromgren: volume dove la radiazione stellare mantiene l'equilibrio fra ionizzazione e ricombinazione dell'H 30 Doradus Nebula; the Tarantula

22 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Le ricombinazioni producono: fluorescenza p + e- H eccitato Cade nello stato fondamentale ed emette vari fotoni Un fotone Lyman -> fotone di riga Lyman α + fotone di riga Balmer + fotoni di continuo o riga con energie piu' basse

23 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Continuo Fotone continuo Lyman n= 8 n=4 Lyman β Balmer α Paschen α Lyman γ Lyman α Balmer β n=3 n=2 n=1

24 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Quindi, se: un fotone Lyman -> fotone di riga Lyman α + fotone di riga Balmer + fotoni di continuo o riga con energie piu' basse Misurare il flusso de fotoni Balmer (nel visibile) Misurare il flusso UV (H. Zanstra) La temperatura superficiale della stella es. > 104 K per le planetary nebulae; cores di stelle evolute

25 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Collisioni possono riscaldare le regioni HII (cessione di energia cinetica portata da elettroni liberi con eccesso di energia) Collisioni possono raffreddare le regioni HII (eccitazione di atomi non completamente ionizzati, es. O, che si diseccitano radiativamente emettendo fotoni che scappano via) Dall'equilibrio fra riscaldamento e raffreddamento: HI region 104 K 102 K HII region

26 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) A temperature di 104 K le collisioni sono troppo deboli per eccitare l'H, ma possono farlo con atomi relativamente abbondanti, es. OII, SII, OIII In condizioni di forte rarefazione la diseccitazione puo' avvenire radiativamente e non come di solito avviene sulla Terra collisionalmente (a causa della densita') o in laboratorio (a causa del basso numero di particelle) Linee proibite [Forbidden lines] (Bowen 1927) (es. Green lines [OIII]λ4959; [OIII] λ "nebulium")

27 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Thermal Emission Nebulae (HII Regions) Dal momento che le Forbidden Lines si originano principalmente da collisioni, dalla loro intensita' si possono derivare per le regioni HII ottiche. Esiti principali Densita' (n ~ particelle cm-3) Temperature (T ~ 104 K) Composizione chimica (simile a quella delle stelle di Pop. I)

28 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Nonthermal Emission Nebulae (Supernova Remnants) The "Leviathan of Parsontown", in Birr Castle (72" speculum mirror) William Parsons ( ), the Third Earl of Rosse

29 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Nonthermal Emission Nebulae (Supernova Remnants) Parte amorfa: Synchrotron radiation Parte filamentare: Similar to HII regions Crab Nebula

30 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Nonthermal Emission Nebulae (Supernova Remnants) Filamenti Spostamento Doppler delle righe di emissione Moti propri dei filamenti Duncan 1921 Espansione isotropa da un debole oggetto centrale Iniziata circa nove secoli fa 4 Luglio 1054 A. D. (Cina, Costellazione del Toro)

31 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Nonthermal Emission Nebulae (Supernova Remnants) Filamenti Studi sulla composizione chimica dei filamenti in varie SNe Spesso contengono elementi pesanti I filamenti sono espulsi da stelle evolute Le esplosioni di SNe arricchiscono l'ISM di elementi pesanti

32 Diverse manifestazioni nell'ottico delle nebulose gassose
Nonthermal Emission Nebulae (Supernova Remnants) Zona nebulosa amorfa Spettro continuo & Forte Polarizzazione (anche nel radio) E' emissione di sincrotrone !!!(Alfven et al.; Shklovskii) Emissione termica Regioni HII Emissione non-termica Resti di Supernova (SNR)