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  • 1. Popolazioni stellari e possibilità di pianeti abitabili Massimo Badiali Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica – Roma 07-02-11Ci sono diversi tipi di stelle…
  • 2. La storia delle popolazioni stellari è strettamente legata alla storia dellagalassia che le ospita. Ci sono diversi tipi di galassie. Le differenze sonosostanziali, per la loro storia che ne condiziona la morfologia e lacomposizione chimicaQuesta storia, naturalmente, è strettamente legata alla cosmologia, che èla storia dell’universo dal Big Bang a oggi (e oltre), trattata a parte. Per ilmomento ci basta sapere che esiste una CLASSIFICAZIONE dellegalassie
  • 3. La classificazione, proposta da Hubble e ancora valida, contiene galassie: •Ellittiche (da E0 a E7 a seconda della eccentricità): le E0 quasi sferiche, le E7 schiacciate •Lenticolari (S0) con struttura a disco e bulbo centrale, non sono evidenti bracci di spirale •Spirali (Sa, Sb, Sc, Sd) bulbo centrale e disco esterno che contiene bracci di spirale da stretti (Sa) a molto aperti (Sc e Sd) •Spirali barrate come le S, ma i bracci partono da una barra che attraversa il bulbo (SBa, SBb…) •Irregolari
  • 4. Ci interessa la principaledifferenza tra galassie spiralied ellitticheLe ellittiche sono povere digas interstellare, che siesaurisce quasi del tutto nellaprima fase di formazionestellare: sono fatte di stelledi 1a generazione M87Le spirali, caratterizzate dauna rotazione più rapida,formano il disco su cui precipitail gas residuo. Lì prosegue laformazione stellare NGC 4414
  • 5. Storia condensata di una galassia a spirale1. La nube protogalattica si contrae. Mantiene una simmetria più o meno sferica. Si formano zone più dense. Una di esse è certamente il Centro.2. Per l’instabilità gravitazionale la contrazione si accentua. • Nelle zone più dense si raggiunge alta densità e temperatura e si hanno i primi episodi di formazione stellare anche in gruppi numerosi (fino a centinaia di migliaia negli ammassi globulari) • Il centro della nube è anche il più formidabile attrattore: intorno ad esso c’è un’ampia zona di formazione stellare (il Bulbo); • proprio al centro si accumula una grande quantità di materia a formare il Nucleo con altissimi valori di densità e temperatura (con fenomeni violenti) • La contrazione generale prosegue e aumenta la velocità di rotazione. La materia non stellare si “schiaccia” sul disco.3. La galassia assume una forma schiacciata simile all’attuale, ma il disco, oggi insegna luminosa della Via Lattea, all’inizio è più oscuro. Le prime stelle, molte delle quali raggruppate negli ammassi, sono distribuite a simmetria più o meno sferica. La materia che cade nel Nucleo caldissimo e massiccio emette radiazione intensa e sta formando un buco nero.4. Il materiale sul disco, per la gravità e per la dinamica della rotazione, si struttura in bracci di spirale. Qui si formano nuove stelle.
  • 6. Le popolazioni stellari.• Il materiale originario è costituito da idrogeno ed elio. Le prime stelle sono prive di elementi più pesanti: cominciano loro a fabbricarli.• Tra le prime stelle se ne formano di molto massicce, giganti molto dense e calde. Oggi non le vediamo più perché esse bruciano in fretta ed esplodono arricchendo l’ambiente di elementi pesanti. Le “giganti blu” che vediamo oggi sono di formazione recente.• Di quella Popolazione antica sopravvivono oggi le stelle che hanno vissuto più a lungo, cioè quelle di massa minore• Grazie al prodotto della prima generazione di stelle (Popolazione II), il gas interstellare, che per lo più si addensa sul disco, contiene elementi pesanti. Le stelle di seconda e terza generazione (Popolazione I) che si formano con questo gas contengono già gli elementi pesanti e attorno ad esse possono formarsi pianeti solidi.
  • 7. Questo è il Centro Galattico, visto attraverso le oscure nubi di gas epolvere che popolano il Disco (più vicino a noi). IL bagliore invece provienedalle stelle del Bulbo. Luce giallastra perché viene da una popolazioneantica, di cui sono sopravvissute solo le stelle più longeve, quelle di massaminore e di colore più arrossato. Le stelle blu di quella popolazione sonomorte da tempo.
  • 8. Distribuzione galattica delle popolazioni stellari I e II.Nella giovane Via Lattea la prima formazione stellare ha avuto luogo sindal momento in cui il gas primordiale (idrogeno ed elio) ha subito unasufficiente contrazione per gravità. Questo è successo naturalmente nellezone in cui la densità era maggiore, in diversi punti di accumulazione.Il principale di questi punti eranaturalmente il nucleocentrale. Lì si è formato ilBulbo, attorno al CentroGalattico attuale. Nei numerosipunti di accumulo secondari sisono formati i grandi AmmassiGlobulari, e infine, un po’dappertutto, mentre la GrandeNube Protogalattica continuavaa contrarsi, in tanti altri punti,sparsi a caso, dove la densitàdel gas diventava sufficiente,si sono formate le antichestelle di Alone.
  • 9. Quando si sono formatele prime stelle, laGalassia non avevafinito di contrarsi e nonaveva ancora l’attualeforma appiattita. Perquesto le stelle piùantiche (bulbo, ammassiglobulari e alone) hannouna distribuzionepressoché sferica.La contrazione si è arrestata solo quando, per conservare il momentoangolare, la velocità di rotazione è aumentata al punto da generare unaforza centrifuga in grado di trattenere la materia sul piano di rotazione,senza farla più cadere verso il centro. Lì i gas condensati hanno cominciatouna nuova fase di formazione stellare, più lenta, che dura fino ad oggi.
  • 10. Riassumendo. La nostra Via Lattea è quindi una Galassia a spirale Sb(forse SBb, barrata?), con più di 100 miliardi di stelle, con un diametro dipiù di 100.000 anni-luce. L’antica popolazione stellare (Pop II) compresi gliammassi globulari, è sparsa a simmetria sferica (Alone). Il Disco, dallospessore di 2000 anni-luce, è strutturato in bracci di spirale. Verso ilcentro il disco si ingrossa nel Bulbo, spesso 16000 anni-luce. Al centro c’èun buco nero con la massa di milioni di soli. ...e noi dove siamo?
  • 11. Siamo certi di questa storia e di questa classificazione? C’è una recente ipotesi suuna “POPOLAZIONE III”, ancora più antica della pop. II.Prima ancora che si formassero vere e proprie galassie, la condensazione del gasprimordiale diede luogo a stelle gigantesche che funzionarono da punto diaccumulo per la materia circostante. Sono state loro i nuclei delle galassie?
  • 12. Certo è che per la loro enorme massa bruciarono rapidamente ed esplosero comeenormi supernove, dando luogo al primo arricchimento di elementi pesanti. Poi non cifu più materiale sufficiente a formare stelle così grandi. La popolazione III èscomparsa agli albori della Galassia Ma … è solo un’ipotesi fantasiosa?
  • 13. Come possiamo trovare traccia della loro passata esistenza? Forse in uneccesso di radiazione infrarossa che pervade la nostra galassia …Diversamente dalledue immaginiprecedenti, questedescrivono dati reali.La figura in bassoraffigura il fondodiffuso di luceinfrarossa dopo cheè stata sottratta laluce provenientedalle stelle attuali(foto sopra). È unaradiazione di origineANTICA
  • 14. Torniamo alla nostra posizione nella Via Lattea…
  • 15. Se potessimo uscire fuori un attimo, vedremmo una cosa del genere.Bulbo luminoso,bracci di spirale constelle, nubi oscure enubi luminose (zonedi formazionestellare)
  • 16. nubi oscure, principalmente idrogeno neutro molecolare (regioni H I,T = 100 K), nubi luminose di gas più caldo, princ. idrogeno ionizzato(regioni HII, T = 10000 K) dalla radiazione stellare: la ricombinazionedell’elettrone con il protone genera radiazione anche nella luce visibile
  • 17. Come appare veramente la nostra Galassia ad un osservatore esterno? Aquesto potrà dare risposta una mappa tridimensionale più precisa.Per ora sappiamo che:Siamo in una galassia gigante a spirale, che presenta, come è suodovere, un’intensa attività di formazione stellare un po’ su tutto il disco.Vicino a noi ad esempio c’è la grande Nebulosa di Orione
  • 18. …che nella zona delTrapezio mostraintensa attività diformazionestellare.Ricordiamo che lamateria del Disco ègià arricchita dielementi pesantigrazieall’esplosione dellestelle giganti diprima generazione:le nuove stelle sonopiù “metalliche” diquelle antiche
  • 19. Tutto l’insieme ruota attorno al Centro Galattico, con velocitàdifferenziata. Verso la periferia la velocità (per il Sole 250 Km/s)rallenta, ma meno di quanto ci si possa aspettare considerando il Centrocome unico attrattore: c’è molta massa anche in periferia.Le stelle di Alone e gli Ammassi Globulari sono molto più lenti e condirezioni più caotiche
  • 20. Riassumendo:1. il Disco brulica di stelle di tutte le età, molte ancora in formazione. La maggior parte sono stelle di 2-a e 3-a generazione, ricche di “metalli”2. Il Bulbo galattico e l’Alone sono la patria di stelle vecchie, specialmente in quelle densissime “colonie” sparse nell’Alone: gli Ammassi Globulari, particolarmente interessanti perché rappresentano l’archeologia della Galassia, un po’ come gli Asteroidi e le Comete nel Sistema Solare. M13
  • 21. Nell’ammasso globulare M55 la sequenza principale è troncata (punto diChe cosa possiamo vedere? blu, salvo le giganti “evolute”. In seq. princ.turn-off): non ci sono stellesono rimaste solo stelle più rosse del nostro Sole (molte nane rosse):concludiamo a) che l’ammasso è molto più antico del Sole, b) che non c’ènuova formazione stellare in M55, è tutta popolazione vecchia. M 55 (popolazione II)Sole e dintorni (prevalente pop. I) Turn -off Seq. Princ.
  • 22. Così, abbiamo un’idea della struttura della nostra Galassia. Ma soloqualitativamente.Ci manca una mappa precisa, perché, se si possono misurare con precisionele posizioni delle stelle sulla volta apparente, è molto più difficile misurarele distanze radiali, indispensabili per costruire una mappa tridimensionaleUn primo passo è stato già compiuto Moto e posizioni delle Iadicon il satellite Hipparcos, che hamisurato le parallassi con laprecisione di 2 millesimi di secondod’arco. Questo significa che hamisurato distanze fino a 500parsec (1500 anni-luce): abbiamouna mappa tridimensionale di unasfera del raggio di 1500 anni-lucecol Sole al centro. Non è un granche rispetto alla Galassia (100 milaanni-luce di diametro!) È un po’come Borgo Pio rispetto all’arearacchiusa dal Raccordo.
  • 23. Ma Hipparcos ha un successore formidabile in preparazione: GAIAosserverà oltre un miliardo di stelle. Per centinaia di milioni misurerà laparallasse con precisione di pochi microarcosecondi. Mille volte meglio diHipparcos, e ciò significa arrivare a fare la mappa tridimensionale dellaGalassia intera!Lancio nel 2012, primi risultati nel 2016, catalogo nel 2020 A proposito: ci saranno pianeti abitabili nella Via Lattea? Dove cercarli?
  • 24. sappiamo già dove non cercare …Gli ammassi globulari sono popolati da stelle morte (buchi neri,stelle di neutroni, nane bianche), e da vecchie stelline povere dielementi pesanti
  • 25. … o nel Bulbo centrale, anch’esso a prevalente popolazione II…… per non parlare del Centro Galattico, luogo molto turbolento, conemissione di intensa radiazione ad alta energia attorno al buco nero centrale, che ha la massa di milioni di soli
  • 26. … bisogna cercare nel Disco Galattico (popolazione I prevalente)Ma… Trovare sistemi con pianeti solidi non è sufficiente
  • 27. In un sistema solare, un pianeta deve trovarsi a una certa distanza dalla propriastella per permettere la vita. La zona circumstellare abitabile (Ecosfera) è unasfera immaginaria circondante una stella: nello spazio delimitato da questa sfera, unpianeta terrestre potrebbe essere in grado di mantenere la presenza di acqualiquida. La presenza di questo elemento sarebbe fondamentale per la vita, a causadellimportante ruolo di solvente svolto in molte reazioni biochimiche.
  • 28. Come abbiamo già accennato, esiste una specie di “ecosfera galattica”. Pianeti abitabili possono trovarsi sul disco galattico, ma non nel Bulbo, né troppo in periferiaSì (è anche la zona del Sole) No. Anche per le poche stelle di pop. I, Alta densità di stelle e incontri ravvicinati destabilizzano orbite planetarie. Frequenti esplosioni Supernovae Difficile. Materia rarefatta, scarsità di elementi pesanti
  • 29. Facciamo però una doverosa distinzione tra pianeti abitabili (s’intende,per la specie umana) e pianeti con possibilità di sviluppo di vita propria.Anche se nelle nostre fantasie insistiamo a immaginare gli extraterrestricome esseri vagamente umanoidi (una testa, arti, endoscheletro, ecc.)non è affatto detto che la vita altrove non si sviluppi in forma moltodiversa. Sul nostro stesso pianeta dominavano innumerevoli specie di invertebrati, molto prima che apparissero animali con endoscheletro
  • 30. I vertebrati terrestri, anche i più lontani da noi, hanno caratteristichecomuni, segno di una comune origine: una colonna vertebrale, quattro articon cinque dita ciascuno (zoccoli e speroni sono variazioni evolutive di ununico prototipo), un cranio col cervello, due occhi, una bocca… Le tante scelte operate dall’evoluzione sul nostro pianeta sono frutto della sua storia, estremamente complessa. Chi l’ha detto che l’evoluzione debba seguire la stessa strada su altri pianeti, anche di tipo terrestre? E inoltre: perché non potrebbe affermarsi una forma di vita molto diversa in condizioni lontane da quelle terrestri?
  • 31. Sembrerebbe che identificare la possibilità della vita con l’abitabilitàper la specie umana sia un grossolano errore dovuto ad una visioneantropocentrica. In realtà occorre fare alcune considerazioni.
  • 32. 1. Ovunque nell’universo, gli elementi chimici sono gli stessi.2. Un organismo vivente dev’essere: a) complesso, b) mobile, flessibileLa complessità e la flessibilità meccanica è garantita solo dalle grandi molecoleorganiche. Queste possono svilupparsi solo in determinate condizioni di temperaturae pressione. Queste condizioni sono, guarda caso, quelle in cui l’acqua è allo statoliquido. Sono quindi condizioni non troppo diverse, entro limiti abbastanza precisi, daquelle della Terra.Semmai, potrebbero essere di più i pianeti resi abitabili (con opportuni interventi)che non quelli in cui la vita può svilupparsi spontaneamente. Per esempio, MARTE
  • 33. Assumendo quindi che i due concetti, vita e abitabilità, siano simili. Che probabilità abbiamo di trovare segnali extraterrestri?L’equazione di Drake (anni ’60): N = R x F* x Np x Fh x Fv x Fc x Ldove:N = numero di civiltà extraterrestri nella GalassiaR = tasso medio di formazione di stelle nella Galassia (10 - 20 all’anno)F* = frazione di stelle con ecosfera abitabile (0,14)Np = numero di pianeti attorno a queste stelle (9)Fh = frazione di pianeti abitabili (1 su 9 = 0,11)Fv = frazione di pianeti abitabili aventi una forma di vita (minore di 1)Fc = frazione di pianeti aventi una civiltà intelligente (minore di 1)L = Longevità di una civiltà (1.000.000 di anni? ) Risultato = ? Troppa incertezza in ciascuno dei fattori! Che fare? CONTINUARE A CERCARE

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