University of Groningen
On the complex stellar populations of ancient stellar systems
Savino, Alessandro
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Savino, A. (2018). On the complex stellar populations of ancient stellar systems. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
R
IASSUNTO
Una delle principali aree investigative dell’astrofisica moderna riguarda la formazione delle galassie e degli altri sistemi stellari. Nonostante gli astronomi abbiano una grande quantit`a di dati sulle propriet`a dell’universo di oggi, la nostra conoscenza diventa sempre pi`u limitata man mano che ci spingiamo indietro nel tempo. Nonostante ci`o, raggiungere una chiara comprensione della formazione dei sistemi stellari nei primi istanti dell’universo ´e di fondamentale importanza. Un modo comune di studiare l’universo primordiale ´e quello di osservare vecchi sistemi stellari nelle nostre vicinanze e ricostruire il loro passato basandoci sulle loro propriet`a attuali. Questo approccio ´e chiamato “archeologia stellare”.
Una notevole scoperta degli studi di archeologia stellare ´e che molti sistemi stellari antichi sono molto pi`u complessi di quanto fosse prima ipotizzato. Le stelle che compongono questi oggetti possono essere separate in differenti popolazioni, che differiscono tra loro per composizione chimica, moto e, potenzialmente, et`a. Questa scoperta indica che questi oggetti si sono formati in modo complicato, che ancora non comprendiamo appieno.
Popolazioni stellari complesse nelle galassie nane
Le galassie nane sono piccoli sistemi stellari, dalle decine alle migliaia di volte meno massicce della Via Lattea, e rappresentano il tipo pi`u comune di galassia nell’universo. Comprendere la formazione di questi oggetti ´e molto importante, perch´e si ipotizza che questi siano i mattoni fondamentali che hanno assemblato le galassie pi`u grandi. Tra questi oggetti, le galassie nane sferoidali (Fig. 1) sono tra i pi`u semplici. Queste galassie sono principalmente composte da stelle vecchie e si pensava precedentemente che avessero avuto una storia di formazione relativamente semplice.Negli ultimi 20 anni, tuttavia, ´e stato riconosciuto che anche le galassie nane sferoidali contengono diverse popolazioni stellari, la cui origine ´e ancora ignota. La natura complessa delle popolazioni stellari in queste galassie pu`o essere rivelata in molti modi, per esempio misurando
RIASSUNTO
Figura 1: Un’immagine, ottenuta con il telescopio spaziale Hubble, di una galassia nana sferoidale. Questa galassia, Tucana, ´e stata oggetto di studio nel capitolo 4. Crediti: il gruppo LCID.
il moto delle stelle, la loro composizione chimica o la loro posizione all’interno della galassia. Ci si aspetterebbe dunque di osservare una simile complessit`a nella misura del tasso a cui queste galassie hanno formato nuove stelle durante la loro vita. Questa quantit`a ´e chiamata “storia di formazione stellare” e pu`o essere determinata analizzando le distribuzione di luminosit`a e temperatura delle stelle che osserviamo oggi in questi oggetti. Ad oggi, storie di formazione stellare complesse nelle galassie nane sferoidali sono state osservate solo in casi estremi.
Oggigiorno, le migliori storie di formazione stellare possono essere misurate studiando stelle che bruciano idrogeno, chiamate “stelle di sequenza principale”. Comprendiamo queste stelle molto bene e la loro et`a pu`o essere misurata facilmente dalla loro luminosit`a e temperatura. Tuttavia queste sono stelle molto poco luminose. Ci`o ´e causa di due grandi problemi. Il primo ´e che queste stelle possono essere osservate solo in un numero ridotto di galassie, vicino a noi. In aggiunta, anche quando possiamo osservare queste stelle, la grande incertezza sulla loro luminosit`a e temperatura limita la precisione con cui possiamo misurarne l’et`a. Questo potrebbe essere un motivo per cui non abbiamo misurato molte storie di formazione stellare complesse.
Le stelle di braccio orizzontale come stimatori di et`
a
A seconda della loro massa e della loro et`a, le stelle possono bruciare una variet`a di combustibili nucleari al loro interno. Anche se la maggior parte delle stelle brucia idrogeno nel loro nucleo, alcune di loro bruciano elio. Quando queste stelle hanno una massa comparabile o minore di quella del Sole, vengono chiamate “stelle di braccio orizzontale”. Questo tipo di stelle pu`o essere trovato in quasi tutte le popolazioni stellari antiche.In sistemi stellari antichi, le stelle di braccio orizzontale sono molto pi`u brillanti delle stelle di sequenza principale. Inoltre, la distribuzione della loro temperatura ´e molto sensibile alla storia di formazione stellare della galassia in cui si trovano. Per questi motivi, questo tipo di stelle pu`o potenzialmente essere usato per misurare le et`a delle popolazioni stellari in maniera accurata. Non solo l’analisi delle stelle di braccio orizzontale pu`o fornire storie di formazione stellare molto precise ma, grazie alla luminosit`a di queste stelle, suddetta analisi pu`o essere effettuata in un grande numero di galassie, dove le stelle di sequenza principale non possono essere osservate.
Tuttavia, la stima delle et`a con le stelle di braccio orizzontale ´e pi`u complicata che con le stelle di sequenza principale. Prima di iniziare a bruciare elio nei loro nuclei, queste stelle attraversano una fase in cui perdono una frazione significativa della loro massa, a causa di forti venti stellari. Anche la quantit`a di massa che ´e stata persa influenza la temperatura delle stelle di braccio orizzontale. Per misurare delle et`a affidabili ´e essenziale conoscere questo parametro, che al momento ´e ancora largamente incerto. La nostra poca conoscenza della perdita di massa in queste stelle ´e il motivo principale per cui le stelle di braccio
RIASSUNTO
Figura 2: M13, un luminoso ammasso globulare nella costellazione di Ercole. Questo oggetto ´e stato analizzato nel capitolo 5. Crediti: Marco Burali, Tiziano Capecchi and Marco Mancini.
orizzontale non vengono tipicamente impiegate per misurare le storie di formazione stellare.
Popolazioni stellari complesse negli ammassi
globu-lari
Gli ammassi globulari sono densi aggregati di stelle, presenti nella Via Lattea e in molte galassie esterne (Fig. 2). Questi oggetti sono estremamente vecchi e si pensa che siano fossili risalenti alla formazione delle galassie massicce.
Per molto tempo, si pensava che gli ammassi globulari fossero composti da stelle con esattamente la stessa et`a e composizione chimica. `E invece oggigiorno chiaro che anche gli ammassi globulari presentano popolazioni stellari complesse. La natura di questa complessit`a ´e intrinsecamente diversa da quella delle galassie nane e, probabilmente, ancora pi`u misteriosa.
Nonostante la quantit`a per unit`a di massa di alcuni elementi chimici, come il ferro e il nichel, sia la stessa tra stelle differenti dello stesso ammasso, altri elementi, come il carbonio, l’azoto e l’elio, hanno abbondanze variabili. Le stelle all’interno di un ammasso vengono tipicamente separate in una popolazione “primordiale” e una “arricchita”, a seconda della loro composizione chimica. L’origine di queste popolazioni stellari distinte rimane ancora un mistero e al momento non esiste una spiegazione che possa rendere conto delle propriet`a di queste stelle.
Un’informazione chiave per risolvere questo problema risiede in dove le stelle delle diverse popolazioni si trovano nell’ammasso. A seconda del modo in cui queste popolazioni multiple si sono formate, ci si aspetta di trovare una frazione diversa di stelle primordiali e stelle arricchite muovendosi dal centro dell’ammasso verso le regioni esterne. Purtroppo, ottenere misure della composizione chimica per un grande numero di stelle in un ammasso ´e molto dispendioso in termini di osservazioni. Una tecnica alternativa consiste nello studiare il colore delle stelle giganti rosse per inferire la loro composizione chimica. Questa ´e una strategia efficace per classificare un grande numero di stelle ma richiede dati di ottima qualit`a, che sono tipicamente ottenuti con il Telescopio Spaziale Hubble, concentrandosi sul centro dell’ammasso e trascurando le regioni esterne.
Questa tesi
In questa tesi presento del lavoro mirato a una comprensione pi`u chiara delle popolazioni complesse nei sistemi stellari antichi attorno a noi. La maggior parte del mio lavoro (capitoli 2, 3, 4) riguarda l’uso delle stelle di braccio orizzontale per migliorare le misure delle storie di formazione stellare in galassie vicine. Nella tesi ´e inoltre presente uno studio delle popolazioni stellari multiple nell’ammasso globulare M13 (capitolo 5).
Nel capitolo 2 ho analizzato una galassia nana sferoidale chiamata Carina. L’obbiettivo originale di questo studio ´e di usare una storia di formazione stellare gi`a misurata, usando le stelle di sequenza principale, per riprodurre le propriet`a delle stelle di braccio orizzontale in Carina. Risulta, tuttavia, che assumendo questa storia di formazione stellare non ´
e possibile raggiungere un modello soddisfacente di queste stelle. La spiegazione pi`u probabile per questa discrepanza ´e che la precisione della storia di formazione stellare derivata dalle stelle di sequenza principale non ´e sufficiente per predire la distribuzione dettagliata di temperatura delle stelle di braccio orizzontale.
RIASSUNTO
Di conseguenza, ho investigato quali vincoli si possono porre sulla storia di formazione stellare di Carina, sulla base di quello che conosciamo sulle sue stelle di braccio orizzontale. Pu`o essere dimostrato che la storia di formazione stellare di Carina ´e composta da eventi di formazione stellare distinti, piuttosto che da una distribuzione continua. La scarsa conoscenza sulla precisa quantit`a di massa persa dalle stelle di braccio orizzontale, e l’analisi molto semplice presentata in questo capitolo, hanno impedito di misurare in maniera accurata l’et`a di questi eventi e la loro intensit`a.
La conclusione principale raggiunta in questo capitolo ´e la conferma, come previsto dai modelli teorici, che l’analisi del braccio orizzontale pu`o migliorare la misura delle et`a per le stelle nelle galassie esterne. Il risultato di questo lavoro rappresenta inoltre una prima prova che le differenti popolazioni stellari presenti nelle galassie nane sono il risultato di eventi multipli di formazione stellare nel passato di questi oggetti. In aggiunta, anche se una misura quantitativa non ´e stata possibile, il modellamento delle stelle di braccio orizzontale in Carina suggerisce che la quantit`a di massa persa da queste stelle ´e simile a quanto misurato in precedenza per un’altra galassia, Sculptor.
Lo studio su Carina supporta la possibilit`a di sviluppare un mezzo di analisi pi`u sofisticato, per includere le propriet`a delle stelle di braccio orizzontale nella misura delle storie di formazione stellare. Questo metodo chiamato MORGOTH, che ´e presentato nel capitolo 3, modella efficientemente le stelle di sequenza principale e di braccio orizzontale in una galassia per misurare in maniera precisa e simultanea sia la storia di formazione stellare che la massa persa dalle stelle di braccio orizzontale.
I test su osservazioni simulate dimostrano cheMORGOTH´e in grado di raddoppiare la precisione sulla misura delle et`a in stelle vecchie, rispetto ai metodi che usano soltanto le stelle di sequenza principale. Un successivo test sulla galassia Sculptor conferma l’affidabilit`a di queste misure, sia riguardo la storia di formazione stellare e la perdita di massa. L’inclusione dell’informazione proveniente dalle stelle di braccio orizzontale rivela che anche questa galassia ha formato le sue stelle durante due eventi.
Le potenzialit`a del metodo sviluppato in questo capitolo aprono interessanti prospettive per lo studio delle galassie attorno a noi. L’aumento di precisione sulla misura delle et`a ci permette di ricostruire in maniera pi`u dettagliata il passato lontano delle galassie vicine e rende pi`u facile l’identificazione di diverse fasi di attivit`a nella loro storia di formazione stellare. La possibilit`a di attribuire un et`a alle differenti popolazioni stellari che osserviamo nelle galassie nane aggiunge informazione preziosa su questi oggetti e ci aiuter`a a risolvere il puzzle della loro formazione. In aggiunta, la possibilit`a di misurare la perdita di massa stellare apre la
strada alla misura delle storie di formazione stellare usando unicamente le stelle di braccio orizzontale. Una volta in grado di fare ci`o, avremo la possibilit`a di ottenere storie di formazione stellare per molte pi`u galassie, espandendo il dominio dell’archeologia stellare pi`u lontano che mai.
Il capitolo 4, ´e dedicato a una galassia pi`u complicata, chiamata Tucana. Questa galassia ´e al margine del Gruppo Locale di galassie e, a causa della sua distanza, non abbiamo molte informazioni sulla sua popolazione stellare. L’analisi simultanea delle stelle di braccio orizzontale e di sequenza principale con MORGOTH, possibile grazie ai dati precisi del Telescopio Spaziale Hubble, fornisce per questa galassia una storia di formazione stellare molto dettagliata, dove tre fasi distinte di formazione stellare possono essere identificate. Questo risultato supporta l’idea che le storie di formazione stellare complesse siano una caratteristica comune nelle galassie nane sferoidali. La posizione delle differenti popolazioni stellari in Tucana rivela che le stelle pi`u giovani si sono formate preferenzialmente nelle regioni centrali di questa galassia. La qualit`a dei dati usati per questa analisi ha permesso una misura molto precisa della perdita di massa stellare, che ´e compatibile con quanto misurato in Sculptor.
Il capitolo 5 si occupa di un argomento differente, presentando uno studio sulla popolazione stellare complessa di M13, un ammasso globulare massiccio e brillante all’interno della Via Lattea. Combinando dati dal Telescopio Spaziale Hubble con dati di un osservatorio a terra, ho analizzato il colore delle giganti rosse in M13 e identificato le stelle primordiali e arricchite sia nel centro che nelle regioni esterne dell’ammasso. Oltre a validare la tecnica di analisi utilizzata in questo studio, questo capitolo mostra che il rapporto di stelle primordiali e arricchite in M13 non varia con la distanza dal centro dell’ammasso. Questo risultato suggerisce che le due popolazioni stellari si siano mescolate nel tempo, a causa di effetti evolutivi, e si siano ridistribuite in maniera omogenea.
In conclusione, il lavoro presentato in questa tesi fornisce strumenti di analisi per ottenere una migliore comprensione delle popolazioni stellari antiche, sia all’interno che all’esterno della Via Lattea. Il proseguimento naturale di questo lavoro consister`a nell’effettuare studi analoghi su un numero pi`u grande di sistemi stellari, per cercare differenze e similitudini nelle popolazioni stellari di sistemi differenti e preparare il terreno per le migliori prestazioni osservative che i telescopi di prossima generazione ci forniranno nel prossimo decennio.
