La nascita delle stellee dei sistemi planetari

Francesco PallaOsserrvatorio di Arcetri

Padova, dicembre 2006

La Via Lattea

la nostra Galassia

Buchi nel cielo stellato?

stellegas

polvere

La Via Lattea

Le nubi scure di polvere e … di gas molecolare

La Grande Nube di Magellano:

la galassia satellite della Via Lattea

stellegas

polvere

Galassia di Andromeda

Le AntenneGalassie in collisione

Formazione stellare nell’universo primordiale:

le prime stelle…

• Lo spazio tra le stelle non è vuoto• La materia interstellare: “nubi” di gas e

polvere

• Gas: Idrogeno molecolare (H2), CO, H2O, NH3…

• Polvere: “sabbia” molto fine di silicati, grafite…• Le stelle nascono dalle nubi di gas e polvere

Formazione stellare: il fenomeno

più comune nell’universo

Nubi di gas…

e nubi di polvere

Buchi nel cielo stellato?

William Herschel ela scoperta della radiazione infrarossa

“...the full red falls still short of the maximum of heat; which perhaps lies even a little beyond visible refraction. In this case, radiant heat will at least partly, if not chiefly, consist, if I may be permitted the expression, of invisible light.”

Herschel scopre laradiazione Infrarossanel 1800.

Herschel scopre laRadiazione Infrarossanel 1800

Vedere la luce attraverso il buio

Emissione COOttico

Dove nascono le stelle(con il telescopio spaziale

Hubble)

Nebulosa Aquila

nube interstellare

ammasso stellare

contrazione gravitazionale(1-10 milioni di

anni)

La nascita delle stelle:l’irresistibile attrazione della

gravità

100 milioni di anni dopo… le Pleiadi

3 1 -3 -6 -12-91

5

10

15

20

25 Dal gas diffuso alle Stelle e Pianeti

Nube

Log D

ensi

tà (

cm )

-3

Log Raggio (pc)

Disco

Stella

Terra

Nucleo

Nube nterstellareNube nterstellare

1pc

1. La nube interstellare• Dimensioni: milioni di volte il sistema solare

• Massa: migliaia di volte la massa del Sole

• Temperatura: 10 – 100 K (263 – 253 sotto zero!)

• Nelle nubi esistono regioni più dense (“globuli”) - dimensioni: 10,000 volte il sistema solare - massa: alcune volte la massa del Sole

Nube interstellareNube interstellare

1pc

collassocollassogravitazionalegravitazionale

10 000 AU

2. Collasso gravitazionale

• Se la gravità di un “globulo” vince la pressione del gas, il globulo comincia a contrarsi.

• Quando le dimensioni si sono ridotte a circa 100 volte il sistema solare, la temperaura al centro comincia ad aumentare

• Durata: 0.1 – 1 milioni di anni

Nube interstellareNube interstellare

1pc

collassocollassogravitazionalegravitazionale

10 000 AU

protostellaprotostella

t =104-10

5 yr

3. Fase proto-stellare

• Il globulo è adesso una sfera gassosa calda (10,000 K) (protostella) circondata da un disco circumstellare

• La protostella riceve materia dal disco, e la sua massa aumenta (accrescimento)

• Il disco a sua volta riceve ancora materia dalla nube

• Durata: 0,1 milioni di anni

Nube interstellareNube interstellare

1pc

collassocollassogravitazionalegravitazionale

10 000 AU

protostellaprotostella

t =104-10

5 yr

Stella T TauriStella T Tauri

jet

Disco di accrescimento

100 AU

t =106-10

7 yr

Dischi protoplanetari: breve digressione

E. Kant 1724-1804 P.S. Laplace 1749-1827

Una nube in rotazione lenta, gradualmente attirata dallasua stessa forza graviazionale e appiattita in un discorotante, dette origine al Sole e ai pianeti.

Ipotesi nebulare di Kant-Laplace

Nube interstellareNube interstellare

1pc

collassocollassogravitazionalegravitazionale

10 000 AU

protostellaprotostella

t =104-10

5 yr

Stella T TauriStella T Tauri

jet

Disco di accrescimento

100 AU

t =106-10

7 yr

Stella diStella diSequenza PrincipaleSequenza Principale

sistemaplanetario

50 AU

t >107yr

4. Nasce la stella

• La protostella continua a contrarsi fino a raggiungere circa 3 volte le dimensioni del Sole

• Temperatura alla superficie: 4000 K (superficie del Sole: 5800 K)

• Temperatura al centro: 10 milioni K (centro del Sole: 15 milioni K) • Si “accendono” le reazioni di fusione nucleare

al centro della protostella: l’energia prodotta crea la pressione che bilancia la forza di gravità

Massa (masse solari) Durata (anni)

25 3 milioni

15 15 milioni

3 500 milioni

1.5 3 miliardi

1 (Sole) 10 miliardi

0.75 15 miliardi

0.5 200 miliardi

Una culla di stelle nel cielo: la Grande Nebulosa di Orione

La costellazione di Orione

Betelgeuse

Rigel

Spada di Orione

Cintura di Orione

Ottico…

Infrarosso!

Infrarosso … e

Viaggio nella Grande Nebulosa di Orione

1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0

Log Mass (solar masses)

100.0

101.0

102.0

2

3

4

56789

2

3

4

56789

Lo

g N

+ C

on

sta

nt

Trapezium Cluster Initial Mass Function

HBL

Sun

Brown Dwarfs

La Funzione Iniziale di Massa nell’ammasso di Orione

Massa stellare (masse solari)

Log

Nu

mero

(m

ass

a)

10 1 0.08

Le stelle si formano in gruppi/ammassi di1000-10000 stelle

La maggior parte delle nuove stelle sonosimili al Sole e anche più piccole: 0.2-0.5 M0

tempi di vita nucleare di 12-25 miliardi/anni

Stelle di grande massa (10-40 M0) sono moltopiù rare (1/1000-10000) tempi di vita nuclearedi 3-5 milioni di anni

La frequenza stellare ha una legge di potenzacome le formiche e gli elefanti sulla Terra…

La frequenza delle masse stellari

AU = unità astronomica, distanza Terra-Sole

4.5 Mld di anni dopo: la ricerca di altri sistemi planetari

Michel Mayor & Didier Queloz: 1995

Osservatorio dell’Alta Provenza (1.8m)

51 Peg: primo pianeta

pianeta invisibile

Variazione moto stellaIndotto dal pianeta

Transitidipianeti suldiscostellare:rari &difficili Variazione

dellaluminositàcoltempo

Tutti i 182pianetiscoperti sinoraattorno a stelledi tiposolare

(dic 2006)

http://exoplanets.org

Circa 180 sistemi planetari in orbita attorno a stelle di tipo

solarescoperti fino ad oggi:

nessuno di questi è simile al Sistema Solare…

Sistema Solare

Sistema Extrasolare

Il primo pianeta di massa simile alla Terra: μ Arae 14 MΘ

Luglio 2005

DARWIN SCFAB 21 November 2002 page: 57rene@astro.su.se

Alla ricerca dell’atmosfera vivente!

I segni della vita!

6 8 10 12 14 16 18

CO2

H2O

H2OO3

Wavelength (m)

Intensità

Sagan et al. 1993 Nature 365, 715

Venere, Terra, Marte

Allaricerca di E.T. Darwin &Kepler

Domande fondamentali:

Siamo figli delle stelle? Sì, chimicamente (produzione elementi chimici) geneticamente (dischi circumstellari)

Siamo figli di tutte le stelle?Mah, maggioranza di stelle non ha pianeti di tipo Giove entro 4 AU maggioranza di stelle in sistemi binari maggiornaza di stelle in ammassi di >100-1000-10000 stelle interazioni…

Fine

Dove trovaretutte lerisposte…

(Wiley-VCH 2004)