La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma

1. La struttura a spiraleLa natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma Cosa scatena la formazione simultanea di stelle in un fronte cosi' lungo e stretto come il braccio a spirale? La materia da cui si formano le stelle (gas e polvere) si trova proporio nel braccio, quindi... Il braccio e' fatto di materia FALSO!

2. • Tempo 3 Tempo 2 • • • • • • • • Tempo 1 • + ? La struttura a spiraleLa natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma Dopo un'orbita, la nube ha gia' creato un "ricciolo" Una nube impiega ~ 108 anni per fare un giro L'eta' della Galassia e' di ~ 1010 anni 100 "riccioli"?....NO! (Attorcigliamento) I bracci di solito hanno ~ 2 "riccioli"

3. La struttura a spiraleLa natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma Il braccio nelle galassie a spirale non e' di materia. Il braccio e' un'onda di densita' mantenuta dall'auto-gravita' della distribuzione su larga scala della materia (Lin & Shu 1963, seguendo Lindblad B. & Lindblad P.O.)

4. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita'(idea di base) Immaginiamo: - Le stelle sono come auto in differenti corsie circolari in moto differenziale - Ci sono i lavori in corso in una delle corsie - In quel punto abbiamo un ingorgo: le auto si compattano, poi si sgranano e poi, NUOVE auto si ri-compattano - Le macchine fluiscono attraverso i lavori, ma per chi osserva dall'alto (es. Un da un elicottero) il compattamento avviene sempre in quel punto (quello dei lavori in corso) - I lavori procedono lungo la corsia La velocita' delle macchine e' (solitamente) diversa da quella alla quale procedono i lavori

5. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita'(idea di base) La Metafora L'ingorgo (il braccio-onda) e' l'onda di densita' di macchine (stelle) La velocita' del massimo di densita' (la velocita' dell'onda) puo' essere diversa dalla velocita' delle singole auto (la velocita' del materiale) Ma cosa causa l'ingorgo? Cos'e' rappresentano i lavori in corso?

6. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Il campo gravitazionale causato dal fatto che la Galassia a spirale NON ha una distribuzione di materia perfettamente assi-simmetrica

7. (a) + La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Orbita media di una stella (o nube di gas) in un disco galattico imperturbato = moto circolare attorno ad un centro con velocita' Ω

8. (b) + La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Campo gravitazionale perturbante = periodico in t (tempo) e in φ (azimuth)

9. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' • Moto risultante nel sistema di riferimento (s.d.r.) corotante con la perturbazione (velocita' angolare Ωp = ω/m), ossia il campo perturbante e' indipendente dal tempo • La risposta stazionaria in questo s.d.r.e' una rotazione media con V angolare relativa = Ω-Ωp che porta l'oggetto attorno ad un cerchio distorto che contiene m "dossi" • Per m=2, il cerchio distorto e' un ovale (nel s.d.r. Ωp). Applicando la perturbazione a diversi raggi r, si ottengono:

10. (c) La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Ovali concentrici: se la fase del campo perturbante e' = per tutti gli r (osservato nel centro di molte galassie) m=2

11. (d) La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Una spirale a due bracci : se la fase angolare ha una variazione monotonica Φ(r) a diversi r m=2

12. (b) (a) + + (d) (c) La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' m=2

13. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' L'essenza della teoria delle onde di densita' e': - trovare la forma funzionale della funzione di fase, Φ(r), e di ampiezza, A(r), in modo che la perturbazione sia un "modo normale"dell'oscillazione del sistema. Per un tale modo normale, il campo gravitazionale disturbante associato con la distribuzione non assisimmetrica di materia e' precisamente uguale al campo perturbante richiesto per provocare la risposta non assi-simmetrica in primo luogo.

14. Risposta in densita' del disco stellare Campo gravitazionale risultante dovuto a stelle e gas + Risposta in densita' del disco gassoso = Materiale totale necessario per mantenere il campo gravitazionale risultante Risposta totale nella distribuzione di materia nel disco = Quetsa equazione serve a specificare completamente le proprieta' dell'onda, e quindi, la forma della spirale La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Forma perturbata dell'equazione di Boltzmann nell'ipotesi di assenza collisionale Fluido-idrodinamica

15. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Calcoli del modo normale: es. Toomre; Lin; et al. Alcuni dei modi a spirale sono leggermente instabili e la loro amplitudine tende a crescere spontaneamente Barre (Merging)

16. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Spirali molti-bracci e filamentari (sovrapposizione di molti modi normali "puri"?) Spirali con un'unica, chiara struttura a bracci (un solo modo normale dominante?)

17. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Fra tutti i dubbi una delle deduzioni che sembra piu' solida e confermata dalle osservazioni e' che: Le strutture a due bracci sono dominanti La teoria delle onde di densita' prevede che strutture dell'onda possano esistere solo dove la velocita' della perturbazione e':

18. La struttura a spiraleLa teoria delle onde di densita' Risonanza interna di Lindblad: il raggio per cui Risonanza esterna di Lindblad: il raggio per cui Per m=3,4,.. E' piccolo (poco probabili) Per m=0 L'effetto e' simile al disco in equilibrio Per m=1 Il tasso di crescita minore Range principale • Le onde di spirali a due bracci dominano perche: • Crescono molto prima di saturare • Hanno un range principale grande • La risposta dell'ISM le rende "visibili" (vedi dopo)

19. La struttura a spiralePerche' la struttura a spirale? La motivazione di base perche' una galassia che ruota velocemente e con rotazione differenziale generi onde di spirale e' il tentativo della galassia a guadagnare energia "legante" per le sue parti interne. L'idea e' simile, MA DIVERSA da quella della stella. La conservazione del momento angolare non permette di contrarre a piacere le parti interne della galassia (la contrazione aumenta la rotazione, e quindi la forza centrifuga). L'onda di densita' della spirale (trailing) e' esattamente cio' che permette di trasferire via il momento angolare. Quello che nei dischi di accrescimento stellari viscosi fa l'attrito, nei dischi galattici ("encounterless") fa l'auto-gravita' di un modo normale non-assisimmetrico dell'oscillazione.

20. 5 4 3 2 1 Shock Galattico Compressione della densita' superficiale 128 32 8 -90 -60 -30 0 30 60 90 Angolo azimutale (o) La struttura a spiraleLa nascita delle stelle nei bracci a spirale • La proposta teorica che la struttura a spirale sia un fenomeno ondulatorio e' verificato da alcune osservazioni: • Studi della struttura di alcune spirali • esterne (vedi dopo) • La differenza di massa fra i bracci e quella media dei dischi e' piccola, ma la luce visibile (soprattutto nel blue) e' molto maggiore • Il gas e la polvere dell'ISM hanno velocita' randomatiche piu' piccole di quelle delle stelle di disco e quindi rispondono piu' non-linearmente all'onda di densita' di piccola ampiezza (Prendergast...Fujimoto & Roberts).

21. La struttura a spiraleLa nascita delle stelle nei bracci a spirale Velocita' di dispersione tipiche: - 128 km/s per le stelle dell'alone (nessuna struttura a spirale) - 32 km/s per le stelle di disco (debole struttura a spirale) - 8 km/s gas interstellare (struttura a spirale pronunciata; shock e incremento nello SFR dietro di esso) Tutto vero!!! Il processo di formazione stellare e' complesso: Instabilita' di Parker, Massa di Jeans, etc...

22. Bande di polveri Lato lontano Bulge Lato vicino La struttura a spiraleLa nascita delle stelle nei bracci a spirale E la polvere? Ci aspettiamo che anch'essa si comprima e accumuli dietro lo shock, ossia nella parte interna del braccio Vero anche questo!!! Le bande di polvere ci danno un'indicazione dell'inclinazione e del senso di rotazione della struttura a spirale

23. La struttura a spiraleLa nascita delle stelle nei bracci a spirale Le osservazioni inteferometriche radioastronomiche dell'idrogeno atomico hanno permesso di paragonare densita' e campi di velocita' teorici e osservativi (es. M81; Rots, Shane, & Visser) Buon accordo!!! E nella nostra Galassia???

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