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Morfologia e classificazione delle galassie

Enrico Maria Corsini Dipartimento di Fisica e Astronomia

Università di Padova

Lezioni del corso di Astrofisica I A.A. 2014-2015

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E Scopo delle classificazioni morfologiche

E Classificazione morfologica delle galassie normali (Hubble, de Vaucouleurs, van den Bergh, Morgan)

E Classificazione morfologica delle galassie peculiari (Vorontsov-Velyaminov, Arp)

E Morfologia e luminosità

E Morfologia delle galassie del Gruppo Locale

E Limiti delle classificazioni morfologiche

Sommario

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E  La classificazione morfologica è il primo passo verso la comprensione fisica delle galassie (anche ad alto redshift)

E  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)

E  Riprodurre la varietà delle forme osservate è uno degli obbiettivi principali di tutte le teorie di formazione ed evoluzione delle galassie

Scopo delle classificazioni morfologiche

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E Introdotta da Edwin P. Hubble nel 1926 (E-S-Irr)

E Perfezionata nel 1936 (E-S0-S-Irr)

E Descritta e illustrata da Allan Sandage nel The Hubble Atlas of Galaxies (Sandage 1961)

E Applicata a ≈1200 galassie del A Revised-Shapley Ames Catalog of Bright Galaxies (Sandage & Tammann 1981)

E Trova la sua esposizione finale nel The Carnegie Atlas of Galaxies (Sandage & Bedke 1994)

Classificazione morfologica di Hubble

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E  È la classificazione più usata e fornisce la terminologia di base

E  Hubble distingue 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 morfologici

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Irr I

Irr II

Ellittiche Lenticolari Spirali Irregolari

Hubble: diagramma a diapason

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E  Forma (apparente) ellittica

E  Struttura diffusa con poca evidenza di gas e polveri

E  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 ellittiche

b

a

e = 1 – b/a

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b/a 1 0.7 0.5 0.3 1-b/a 0 0.3 0.5 0.7

tipo E0 E3 E5 E7

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E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco senza evidenza di bracci di spirale

E Due sottoclassi: normali (S0) e barrate (SB0)

E I sottotipi S01, S02, S03 sono definiti dalla:

- prominenza delle polveri nel disco

E I sottotipi SB01, SB02, SB03 sono definiti dalla:

- prominenza della barra

Hubble: galassie lenticolari

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NGC 3245 S01 NGC 524 S02 NGC 5866 S03

NGC 1023 SB01 NGC 2859 SB02 NGC 4643 SB03/SBa

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E Due componenti: sferoide centrale (bulge) e disco caratterizzato dalla presenza dei bracci di spirale

E Due sottoclassi: normali (S) e barrate (SB)

E I sottotipi Sa, Sb, Sc sono definiti da tre criteri:

- prominenza del bulge rispetto al disco

- avvolgimento/apertura dei bracci a spirale

- risoluzione del disco in stelle, nodi, regioni HII

Hubble: galassie a spirale

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Sa

•  Bulge molto prominente

•  Bracci molto avvolti

•  Bracci poco risolti

Sc

•  Bulge poco prominente

•  Bracci poco avvolti

•  Bracci molto risolti

di taglio di faccia

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ψ

ψ = angolo di attacco (pitch angle)

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NGC 1302 Sa NGC 2841 Sb NGC 628 Sc

NGC 175 SBa NGC 1300 SBb NGC 7741 SBc

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E  Poca o nessuna simmetria

E  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)

E Successivamente vengono ridistinte in

- Im: irregolari di tipo magellanico

- IBm: irregolari barrate di tipo magellanico

rispettivamente poste lungo la sequenza delle S e

delle SB

Hubble: galassie irregolari

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LMC Irr I NGC 4449 Irr I Holmberg II Irr I

NGC 3034 (M82) Irr II NGC 520 Irr II NGC 520 Irr II

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E Sandage (1961) introduce due ulteriori sottotipi per segnalare la presenza di un anello (r) da cui si dipartono i bracci o dei soli bracci a spirale (s)

E0 E7

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Hubble: evoluzione storica

Irr I Irr II

(Kormendy & Bender 1996)

S0a – S0b – S0c – Sph Sa – Sb – Sc – Im (Kormendy & Bender 2012)

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E La classificazione è definita su galassie prototipo di tipo gigante e supergigante che sono isolate o si trovano in piccoli ammassi

E 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

E Le spirali barrate di tipo avanzato sono meno brillanti delle spirali non barrate della stessa classe

E Mancano criteri oggettivi per distinguere le spirali di tipo molto avanzato e le galassie irregolari

Hubble: punti critici

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E Introdotta da Gerard de Vaucouleurs nel 1959

E Estende la classificazione di Hubble

E Descritta nel Reference Catalog of Bright Galaxies (RC1, de Vaucouleurs et al. 1964)

E Applicata a ≈23000 galassie del Third Reference Catalog of Bright Galaxies (RC3, de Vaucouleurs et al.1991)

E Illustrata nel The de Vaucouleurs Atlas of Galaxies (Buta et al. 2007)

Classificazione morfologica di de Vaucouleurs

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de Vaucouleurs distingue le galassie secondo tre parametri:

E  posizione lungo la sequenza morfologica principale

E-E+-S0--S00-S0+-Sa-Sb-Sc-Sd-Sm-Im

E  presenza o meno della barra

SA = senza barra, SAB = barra debole, SB = barra

E  tre varietà

(r) = i bracci si dipartono da un anello, (s) = presenza dei soli bracci a spirale, (rs) = varietà intermedia

e le colloca lungo cosiddetto diagramma a fuso

de Vaucouleurs: tipi morfologici

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de Vaucouleurs: diagramma a fuso

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de Vaucouleurs: SA

SA(s)

SA(rs)

SA(r)

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de Vaucouleurs: SB

SB(s)

SB(rs)

SB(r)

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de Vaucouleurs: SAB

SAB(s) SAB(r)

SAB(rs)

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de Vaucouleurs: S(r) SA(r)

SAB(r)

SB(r)

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de Vaucouleurs: S(s)

SAB(s)

SB(s)

SA(s)

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de Vaucouleurs: S(rs) SA(rs)

SAB(rs)

SB(rs)

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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 S0/a Sa Sa-b Sb Sb-c Sc Sc-Irr Irr

de Vauc. E E+ S0- S00 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

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de Vaucouleurs: codici

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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)SA0/a(rs) NGC 6782 RSXR1.. (R)SAB(r)a NGC 2775 .SAR2.. SA(r)ab NGC 7741 .SBS6.. SB(s)cd NGC 3034 .I.0../ I0 sp

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E 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

E La dicotomia tra varietà (r) e (s) è un aspetto secondario della morfologia

E 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: punti critici

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E Il grado di sviluppo della struttura a spirale (grand design vs multiple arms) dipende dalla luminosità delle galassie

E I sottotipi Sa-Sab-Sb-Sbc-Sc sono ben definiti solo per galassie molto luminose

E La frazione di galassie irregolari cresce al diminuire della luminosità

E La frazione di spirali barrate è minore tra le galassie giganti e maggiore tra le galassie nane

Morfologia e luminosità

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

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E  Introdotta da Sidney van den Bergh

E  Trova la sua definizione finale in A New Classification System for Galaxies (van den Bergh 1976, ApJ, 206, 883)

E  Nota anche come classificazione DDO (David Dunlap Observatory)

E  Adotta le classi di luminosità

I = supergiganti (Mpg=-20.2, H0 =100 km/s/Mpc), II = giganti brillanti (-19.4), III = giganti (-18.2), IV = sub-giganti (-17.3), V = nane (-15)

Classificazione morfologica di van den Bergh

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

van den Bergh: classi di luminosità

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Cetus Sph Sextans A Irr NGC205 (M110) dE5

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van den Bergh distingue le galassie secondo due parametri:

E  assenza/presenza del disco

- ellittiche (E)

- galassie a disco (S0,A,S)

E  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 morfologici

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E  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

E  Le irregolari (Ir) vengono poste dopo le spirali ricche di gas

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van den Bergh: diagramma a tridente Sferoidi Dischi

Lenticolari

Anemiche

Spirali

D/B 1-3 3-10 >10

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NGC 3115 S0a NGC 2855 Aa NGC 2775 Sa

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E Ha il vantaggio di definire i sottotipi a, b, c su basi quantitative

E I sottotipi a, b, c sono ben definite solo per galassie supergiganti e giganti, mentre per le galassie meno luminose possono essere suddivise solo in primi tipi (early) e tipi avanzati (late)

E La distinzione tra galassie a spirale di tipo avanzato e irregolari magellaniche dovrebbe essere fatta sulla base della presenza o meno di un nucleo

E Richiede analisi fotometrica delle immagini

Van den Bergh: punti critici

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E  Introdotta da William W. Morgan

E  Esposta in A Preliminary Classification of the Forms of Galaxies according to their Stellar Populations I (1958, PASP, 70, 364) e II (1959, PASP, 71, 394)

E  Applicata a 608+642 galassie

E  Nota anche come classificazione di Yerkes

Classificazione morfologica di Morgan

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Morgan distingue le galassie secondo tre parametri:

E  concentrazione di luce centrale che correla con lo spettro integrato

a (poco concentrate), af, f, fg, g, gk, k (molto concentrate)

E  forma

E = ellittica, S = spirale, B = spirale barrata, I = irregolare

Ep = E con polvere, R = a simmetria di rotazione ma senza evidenze di struttura a spirale o ellittica, D = con nucleo ellittico immerso in un alone esterno, L = bassa brillanza superficiale, N = nucleo brillante

E  rapporto assiale

1 (circolare), 2, 3, 4, 5, 6

Morgan: tipi morfologici

52 NGC 4643 kB1 NGC 4449 aI NGC 147 L

NGC 4459 kE3 NGC 3115 kD7 NGC 3031 gkS4

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E Ha il vantaggio di dipendere da un singolo parametro che correla con le popolazioni stellari ed è facilmente misurabile anche ad alto redshift

E La distinzione tra E e D non è sempre chiara

Morgan: punti critici

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Classificazioni morfologiche delle galassie normali

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NGC 4486 (M87) Hubble = E1 de Vaucouleurs = E1pec van den Bergh = E1 Morgan = kE1 NGC 224 (M31) Hubble = Sb de Vaucouleurs = SA(s)b van den Bergh = Sb I-II Morgan = kS5

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NGC 5457 (M101) Hubble = Sc de Vaucouleurs = SAB(rs)cd van den Bergh = Sc I Morgan = fS1 Grande Nube di Magellano Hubble = Irr I de Vaucouleurs = SB(s)c van den Bergh = Ir III-IV Morgan = afI2

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Galassie non classificabili E ∼2% delle galassie non rientra nei tipi E, S0, S, Irr

E Si tratta soprattutto di sistemi disturbati e/o interagenti

NGC 5128 S0+S pec NGC 4038/39 Sc (tides)

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E Introdotta da Vorontsov-Velyaminov e Krasnogorskaja nel 1962

E Descritta e illustrata nel Morphological Catalog of Galaxies

E Applicata a ≈29000 galassie

E È una classificazione puramente descrittiva

Classificazione morfologica di Vorontsov-Velyaminov

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E  Introdotta da Halton Arp

E  Riguarda le galassie con morfologie disturbate e peculiari che non rientrano nello schema di Hubble/Sandage/de Vaucouleurs

E  Descritta e illustrata in Atlas of Peculiar Galaxies (1969)

E  Applicata a 338 oggetti (galassie, coppie, gruppi)

Classificazione morfologica delle galassie peculiari e interagenti di Arp

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Arp: tipi morfologici

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

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

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

Arp 271 (NGC 5426/27) connected arms Arp 329 chain of galaxies

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E Molte delle galassie sono peculiari perché sono interagenti (o hanno recentemente interagito) con un compagno

cf. http://www.youtube.com/watch?v=lXy3B2K47Qg

(Hubble captures colliding galaxies)

E Alcuni oggetti sono galassie nane di tipo avanzato ma non sono peculiari (No. 2-5). Forse sono state scambiate per tali solo perché appaiono più caotiche di quelle più luminose

Arp: punti critici

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E  La Via Lattea e` una galassia a spirale SBbc

E  Nel Gruppo Locale ci sono molte galassie irregolari e nane

Morfologia nel Gruppo Locale

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Le classificazioni morfologiche (a.e. Hubble, de Vaucouleurs, Vorontsov-Velyaminov, van den Bergh, Arp):

E  si basano sulla analisi (soggettiva) delle immagini (lastre fotografiche in banda B, immagini CCD in NIR)

E  sono limitate da effetti di risoluzione, profondità e banda passante delle immagini analizzate

E  dipendono dai criteri di classificazione adottati

Limiti delle classificazioni morfologiche

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M81

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M81 (NGC 3031)

UV Ottico IR

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E  E. P. Hubble, Extragalactic nebulae, 1926, ApJ, 64, 321

E  A. Sandage, The Hubble atlas of galaxies, 1961, Carnegie Institution, Washington

E  G. de Vaucouleurs, Classification and morphology of external galaxies, 1959, Hand. der Physik, 53, 273

E  S. van den Bergh, A new classification system for galaxies, 1976, ApJ, 206, 883

E  W. W. Morgan, A preliminary classification of the form of galaxies according to their stellar population, 1958, PASP, 70, 364

E  A. Arp, Atlas of peculiar galaxies, 1966, ApJS, 14, 1

E  A. Sandage, J. Bedke, The Carnegie atlas of galaxies, 1994, Carnegie Institution, Washington

E  P. B. Nair, R. G. Abraham, A catalog of detailed visual morphological classification for 14,034 galaxies in the Sloan Digital Sky Survey, 2010, ApJS, 186, 427

Approfondimenti