La Via Lattea Andrea Tarchi Istituto di Radioastronomia - CNR Osservatorio Astronomico - INAF Cagliari

La Via Lattea

Andrea TarchiIstituto di Radioastronomia - CNR

Osservatorio Astronomico - INAF

Cagliari

Introduzione

Introduzione

Gala = latte

Un particolare dell'Origine della Via Lattea, dipinto da Tintoretto fra il 1575 e il 1580, e conservato presso la National Gallery di Londra. Il quadro raffigura Zeus che affida Eracle neonato alle cure di Era. Secondo la mitologia classica, Eracle era nato dall'unione fra Alcmena e Zeus. Era, la moglie di quest'ultimo, gelosa, si rifiutava di allattare il bambino, e mentre cercava di allontanarlo, il latte del suo seno schizzò in cielo, dando origine alla Via Lattea.

"Origine della Via Lattea" (1575-80) Tintoretto

Introduzione

Harlow Shapley (1885-1972)

Corretta forma e dimensione della Galassia

•Galileo (1610; "innumerabili" stelle deboli)•Kant (meta' Sec. XVIII; "universi isola")•Herschel (fine Sec. XVIII; "star gauging")•Kapteyn (1922; "Universo di Kapteyn"}

Forma e dimensioni della Via Lattea

Star gauging

Viene contato e "binnato" il numero di stelle per intervallo di luminosita' apparente in diverse direzioni del cielo

La distribuzione di stelle a diverse luminosita' apparenti

La distribuzione delle stelle nel cieloIn

teor

ia!


23

00 )( fAffN

Star gauging

Supponiamo che:1. La probabilita' frazionale di avere una stella con luminosita' L non

varia con la posizione nell'Universo2. Le stelle di qualsiasi luminosita' sono distribuite uniformemente

nell'Universo

Allora:

A = costante di proporzionalita'


Log f (= S)

costlog5.1)(log 00 fffN

Log

N -1.5

cost

- N cresce al dimunuire di f(si campionano regioni piu' distanti)

I dati osservativi indicano una crescita meno rapida

La distribuzione spaziale di stelle decresce con la distanza da noi ???


La distribuzione spaziale di stelle decresce con la distanza da noi

+

La decrescita e' piu' veloce in alcune direzioni che in altre

=

Viviamo vicino al centro di uno strato piatto di stelle fisse il cui spessore e' circa 1/5 del diametro (l'Universo di Kapteyn)

FALSO!


Ovviamente la ragione dell'errore era:

L'ESTINZIONE DA POLVERI CHE OSCURA IL PIANO CENTRALE DELLA GALASSIA

La presenza di assorbimento da polveri fa diminuire piu' rapidamente il numero di stelle all'aumentare della distanza da

noi.


Harlow Shapley (1885-1972)

Scoperta la relazione periodo-luminosita' delle Cefeidi nelle SMC (Henrietta Levitt, 1920)

Attribuisce la variabilita' delle Cefeidi a pulsazione e applica la relazione periodo-

luminosita' alle RR-Lyrae per calcolare le distanze dagli ammassi globulari (GCs) che le ospitano

Shapley trova che i GCs hanno una distribuzione spaziale sferica con il centro coincidente con il centro Galattico e che il Sole sta in periferia

(Shapley come Copernico?)


Shapley non sapeva:

• Che esistesse la polvere interstellare

• Che le RR Lyrae fossero diverse dalle Cefeidi classiche

Ciononostante, l'utilizzo del suo metodo e delle sue conclusioni


2000 LYs

30000 LYs

Sole

Ammassi globulari

Polvere interstellare

alone

bulge

disco

Popolazioni stellari

Gli studi di Shapley (sulla struttura della Galassia) e Baade (su Andromeda)

Nella Galassia esistono due diverse popolazioni di stelle

• Popolazione I: - elevata abbondanza di elementi pesanti- presenti nel disco

• Popolazione II:- bassa abbondanza di elementi pesanti- presenti nella parte visibile dell'alone

Entrambe le Pop. Sono presenti nel "bulge"


Moti stellari e forma della Galassia

? Non si sa se vi e' una transizione graduale fra le stelle nel bulge e nell'alone

Bulge:- contiene prevalentemente stelle con velocita' circolari piccole -> forma ~ sferica del bulge

Disco:- contiene prevalentemente stelle (e, in parte, gas e polvere) che ruotano in orbite ~ circolari attorno al centro Galattico con velocita' >> dei moti randomatici -> forma piatta del disco

Alone: - contiene prevalentemente stelle con velocita' randomatiche elevate -> sono gravitazionalmente meno legate alla Galassia


Il Problema della Massa Mancante

Esiste nell'Universo una grande quantita' di materia non-luminosa ("oscura") che non e' ancora stata

rivelata (e forse non e' proprio possibile farlo) se non tramite la sua influenza gravitazionale?


Il Problema della Massa Mancante

1. Gli studi di Ooort dei moti verticali delle stelle nelle vicinanze del Sole -> la massa "gravitazionale" e' doppia di quella osservata in forma di stelle e nubi di gas

2. Le curve di rotazione delle galassie a spirale rimangono piatte fino a distanze considerevoli dal centro -> la massa esistente deve essere alcune volte maggiore di quella osservata

3. Le velocita' relative di galassie in sistemi binari (legati) -> le masse devono essere molte volte quelle osservate

4. I moti randomatici in ammassi (legati) ricchi di galassie (rich clusters) sono molto elevati -> la massa dell'ammasso deve essere ~10 volte superiore alla somma delle masse galattiche osservate


Il rapporto Massa-Luminosita' Locale

sol

sol

L

M 5

lesuperficia Brillanza

lesuperficia massa di Densita'

L

Dai conteggi delle stelle, nelle vicinanze del Sole

Per definizione μ/L del Sole = 1

a) La massa gravitante media nella Galassia ha un'efficienza piu' bassa del Sole nel produrre luce per unita' di massa

b) Il grosso dell'Elio (He) cosmico non ha origine stellare



a) La massa gravitante media nella Galassia ha un'efficienza piu' bassa del Sole nel produrre luce per unita' di massa

E' noto che la maggiorparte delle stelle nella Galassia siano deboli nane di classe spettrale K e M (poco massive e poco luminose)

Della materia "oscura" non sappiamo nulla se non che e' ancora meno luminosa

- La maggiorparte della massa della Galassia e' data da deboli nane di piccola massa (o nane brune, buchi neri, o altro)- La maggiorparte della luce (eccetto forse nell'IR) proviene da un numero molto piccolo di stelle blue di grande massa o stelle giganti in fasi evolutive avanzate



b) Il grosso dell'Elio (He) cosmico non ha origine stellare

In 1010 anni (eta' della Galassia) il Sole, con un μ/L = 1, converte solo 10 % di H in He

In 1010 anni materia con μ/L ~ 5, convertira' ~ 2 % di H in He

Tenendo conto che in passato i processi nucleari stellari fossero piu' rapidi

Non considerando che parte dell'He rimane imprigionato nelle stelle

- L'He prodotto dalle stelle contribuisce circa per 1/10 all'He cosmico- La maggiorparte dell'He cosmico ha una origine non stellare- Probabilmente l'He si e' originato durante i primi minuti della creazione dell'Universo


La massa dell'alone Galattico

- La massa luminosa nell'alone e' qualche % di quella del disco (M. Schmidt)

- Si pensa che la massa dell'alone possa essere di addirittura 10 volte maggiore che nel disco (es. Ostriker and Peebles) e che questa componente sia invisibile

- Forse ...ma ffforse, le stelle invisibili dell'alone costituiscono una Popolazione III, ossia una generazione di stelle con contenuto iniziale di elementi pesanti praticamente nullo

???? PROBLEMA DELLA MASSA MANCANTE (Dark matter)???

La rotazione differenziale della Galassia

Il "Local Standard of Rest"

Il fatto che il Sole sia nel disco Galattico e partecipi della sua rotazione rende difficile misurare la rotazione del disco.

Si definisce "Local Standard of Rest" (LSR) il moto medio della materia nelle vicinanze del Sole.

Il Sole ha un suo moto relativo allo LSR, ma verra' trascurato


Il "Local Standard of Rest"

Ci sono alcune stelle in prossimita' del Sole che hanno velocita' relative elevate rispetto all'LSR.

Peraltro, sembra la distribuzione di queste stelle sia asimmetrica.

Sono stelle con velocita' rotazionale bassa e non-circolare alta (stelle di alone). Il Sole ruota

velocemente contro di loro, ma a noi sembra il contrario


Moti differenziali locali

Il moto di una stella (fino a molte migliaia di LYs dal Sole) puo' essere scomposto in due componenti:

a) Una rotazione mediarotazione media condivisa con le altre stelle vicine (OortOort)

b) Un moto randomaticomoto randomatico diverso da stella a stella (LindbladLindblad)

La rotazione differenziale condiziona un osservatore locale sia in a) che in b)


Moti differenziali locali: moti medimoti medi

In media:

(con T periodo di rotazione attorno al centro Galattico)

extsolint TTT

42

1

8

3

76

5

Rotazione differenziale media


Moti differenziali locali: moti medimoti medi

Si possono (facilmente) calcolare le velocita' radiali e le distanze dal Sole per le Cefeidi

1. Lo schema di velocita' radiali medie e' confermato- nulla per centro, anticentro e stessa orbita; massima a 45o

- in linea con la visione "periferica" del Sole

2. Si puo' ottenere un'indicazione della viscosita' presente nella rotazione Galattica- il tasso di viscosita' e' proporzionale al tasso di cambiamento della velocita' angolare di rotazione Ω in funzione della distanza dal centro Galattico (la costante A di Oort)


Moti differenziali locali: moti randomaticimoti randomatici

La costante di B di Oort e' legata alla vorticosita', ossia il tasso di rotazione locale

La difficolta' maggiore nel calcolare la costante B e' trovare un sistema di riferimento inerziale che non

partecipi della rotazione Galattica e terrestre, in modo da poter usare i moti propri medi (come si sono usati le

velocita' medie radiali per la costante A)



Il metodo migliore per ricavare il tasso di rotazione locale sfrutta una intuizione di Lindblad

Se la Galassia ruotasse uniformemente le velocita' randomatiche nella direzione della rotazione o verso il centro Galattico sarebbero statisticamente uguali, ma non e' cosi' .Lindblad ha espresso il rapporto delle disperisoni di velocita' nelle due direzioni, in funzione delle costanti A e B di Ooort. Ricavandosi A (come fatto prima) si puo' ottenere B.



La combinazione di A e B

La velocita' angolare assoluta Ω delle stelle nelle vicinanze del Sole -> il periodo Tsol = 2π/ Ω = 230 milioni di anni

LYs 30000rcon skm 250 1 rv

- La Galassia e' veramente grande!!!- La relativita' funziona!!!


Stima (approx) della massa della Galassia

Abbiamo la velocita' dell'orbita solare attorno al centro Galattico

Assumiamo che:• il Sole abbia un'orbita circolare attorno ad un punto con massa = alla massa della parte della Galassia interna al Sole

G

vrM G

2

sol11 M 103.1 GM


Gli incontri stellari

Se avessimo stelle con massa tipica = 0.5 Msol , il numero di stelle all'interno del Sole sarebbe:

115.0 106.2

M

MN G

M sol

32

115.0

5.0 LY 0.052000)30000(

106.2

V

Nsol

sol

MM

321310 LYs 105.1)107(34 V

Le stelle hanno bassissima probabilita' di collidere (eccetto in sistemi binari o ammassi densi)

Principalmente sentono l'attrazione gravitazionale della Galassia nel suo insieme

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