1 Morfologia e classificazione delle galassie Enrico Maria Corsini Dipartimento di Astronomia...

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Morfologia e classificazione Morfologia e classificazione delle galassiedelle galassie

Enrico Maria CorsiniDipartimento di Astronomia

Università di Padova

Lezioni del corso di Astrofisica I V.O.A.A. 2003-2004

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SommarioSommario Cenni storiciCenni storici

Scopo delle classificazioni morfologicheScopo delle classificazioni morfologiche

Classificazione morfologica di HubbleClassificazione morfologica di Hubble

Classificazione morfologica di de Vaucouleurs Classificazione morfologica di de Vaucouleurs

Classificazione morfologica di Vorontsov-VelyaminovClassificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov

Classificazione morfologica di van den BerghClassificazione morfologica di van den Bergh

Classificazione morfologica di ArpClassificazione morfologica di Arp

Classificazione morfologica delle galassie attiveClassificazione morfologica delle galassie attive

Classificazione delle galassie ad alto redshiftClassificazione delle galassie ad alto redshift

33

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)

Cenni storiciCenni storici

44

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

Scopo delle classificazioni morfologicheScopo delle classificazioni morfologiche

55

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

Limiti delle classificazioni morfologicheLimiti delle classificazioni morfologiche

66

M81

77

M81 (NGC 3031)

UV Ottico IR

88

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)

Classificazione morfologica di HubbleClassificazione morfologica di Hubble

99

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)

Hubble: tipi morfologiciHubble: tipi morfologici

1010

M87 (NGC 4486) E0

1111

NGC 3384 S0 NGC 4596 SB0

1212

M63 (NGC 5055) Sb NGC 1365 SBb

1313

Sextans A Irr I M82 (NGC 3034) Irr II

1414

Hubble: diagramma a diapasonHubble: diagramma a diapason

1515

Irr I

Irr II

Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari

1616

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)

Hubble: galassie ellitticheHubble: galassie ellittiche

b

a

e = 1 – b/a

1717

b/a 1 0.7 0.5 0.3

1-b/a 0 0.3 0.5 0.7

tipo E0 E3 E5 E7

1818

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

Hubble: galassie lenticolariHubble: galassie lenticolari

1919NGC 5866 S03

NGC 3245 S01 NGC 4111 S02

2020

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

Hubble: galassie a spiraleHubble: galassie a spirale

2121

Sa

• Bulge molto prominente

Sc

• Bulge poco prominente / assente

2222

= pitch angle

2323

Sa

• Bulge molto prominente

• Bracci molto avvolti

• Bracci poco risolti

Sc

• Bulge poco prominente

• Bracci poco avvolti

• Bracci molto risolti

2424

2525

NGC 1302 Sa NGC 2841 Sb NGC 628 Sc

NGC 175 SBa NGC 1300 SBb NGC 7741 SBc

2626

2727

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)

Hubble: galassie irregolariHubble: galassie irregolari

2828

LMC Irr I M82 (NGC 3034) Irr II

2929

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

3030

Hubble: evoluzione storicaHubble: evoluzione storica

Irr I

Irr II

3131

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

3232

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

Hubble: problemiHubble: problemi

3333

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)

Classificazione morfologica di Classificazione morfologica di de Vaucouleursde Vaucouleurs

3434

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: tipi morfologicide Vaucouleurs: tipi morfologici

3535

de Vaucouleurs: diagramma a fusode Vaucouleurs: diagramma a fuso

3636

3737

de Vaucouleurs: tipo Tde 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 E+ S0- S0 S0+ S0/a Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sdm Sm Im

T -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3838

de Vaucouleurs: codicide Vaucouleurs: codici

3939

4040

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

4141

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

de Vaucouleurs: problemide Vaucouleurs: problemi

4242

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

Classificazione morfologica di Classificazione morfologica di Vorontsov-VelyaminovVorontsov-Velyaminov

4343

4444

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

Morfologia e luminositàMorfologia e luminosità

4545

NGC 3031 Sb Grand design spiral

NGC 3223 Sb Multiple-armed spiral

4646

4747

4848

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

Classificazione morfologica di Classificazione morfologica di van den Berghvan den Bergh

4949

NGC 1232 Sc I M33 (NGC 598) Sc II-III

van den Bergh: classi di luminositàvan den Bergh: classi di luminosità

5050

5151

5252

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: tipi morfologicivan den Bergh: tipi morfologici

5353

van den Bergh: diagramma a tridentevan den Bergh: diagramma a tridente

Sferoidi Dischi

Lenticolari

Anemiche

Spirali

5454

5555

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

5656

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

5757

NGC 3115 S0a NGC 2855 Aa NGC 2775 Sa

5858

5959

Classificazioni morfologiche delle Classificazioni morfologiche delle galassie normaligalassie normali

6060

Galassie non classificabiliGalassie 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)

6161

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)

Classificazione morfologica delle Classificazione morfologica delle galassie peculiari e interagenti di Arpgalassie peculiari e interagenti di Arp

6262

Arp: tipi morfologiciArp: tipi morfologici

6363

Arp 2 (DDO 204) LSB Arp 25 (NGC 2276) heavy arm

Arp 78 (NGC 772) small HSB comp Arp 145 associated ring

6464

Arp 227 (NGC 474) concentric rings Arp 244 (NGC 4038/39) fission

Arp 271 (NGC 5426/27) connected arms

Arp 329 chain of galaxies

6565

Classificazione (morfologica) delle Classificazione (morfologica) delle galassie attivegalassie attive

Proposta da van den Bergh (1998)

Tiene conto anche delle proprietà spettrali

6666

Classificazione morfologica delle Classificazione morfologica delle galassie ad alto redshiftgalassie 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

6767

6868

6969

7070

7171

Evoluzione morfologicaEvoluzione morfologica

SAC = Revised Shapley-Ames CatalogMDS = Medium Deep Survey (z0.5, t5 Gyr)HDF = Hubble Deep Field (z>0.8, t>7 Gyr)

7272

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)

7373

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)

7474

HDF 2-86 proto-S?

HDF 3-312 proto-S

HDF 2-243 merging

HDF 4-105 SB?

HDF 2-86 HDF 3-312

HDF 2-243 HDF 4-105

7575

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)

7676

7777