Galàxies i la via làctia

Continuant apunts fets a mà

Recordeu! El concepte de galàxies va aparèixer fa al voltant de 100 anys. De fet, fa 100 anys no se sabia que l'univers estava ple de galàxies o nebuloses com se li anomenava a l'època.

Classificació de galàxies

Classificació morfològica

• Per la seva morfologia: el primer que van utilitzar per classificar-les.
  • El·lítpiques:
    • E0: esfèrica
    • E3
    • E7: molt ovalada
  • Lenticulars: entre el·líptiques i espirals, però es consideren que són també el·líptiques (S0)
  • Espirals:
    • Sa: braços més tancats
    • Sb
    • Sc: braços més oberts
  • Irregulars

• Les el·líptiques tenen gas calent --> emet raigs X (al voltant d'un milió de Kelvin). No serveix per formar

noves estrelles.

• Les espirals tenen gas fred --> per observar-ho s'ha d'utilitzar un ràdiotelescopi. Sí serveixen per formar noves estrelles.

!! La llum de la galàxia ve de les estrelles, però la contribució principal ve de les estrelles grosses (gegants blaves).

Les gegants el·líptiques tenen color vermellós perquè les grosses son velles gegants vermelles. Per les espirals, al revés, es veuen blaves.

• Galàxies el·líptiques/lenticulars: es diuen de tipus primerenc.
• Galàxies espirals/irregulars: es diuen de tipus tardà

Les elíptiques són una mica més metàliques que les espirals perquè han format estrelles molt més ràpidament i han exhaurit tot el gas fred.

De fet, les el·líptiques són una mica més grosses que les espirals.

• Estrelles: fragmentació d'un núvol molecular. (formació top-down (?))
• Formació de galàxies: al revés, és per fusió de protogalàxies. (formació bottom-up)

• El·líptiques: són esfèriques i més massives perquè són el resultat de fusió de galàxies per exemple de disc, que li donen aquesta forma.

Via làctia:

• [math]\displaystyle{ L_{MW} = 2-4 \cdot 10^{10} L_\odot }[/math]
• [math]\displaystyle{ M_{MW} = 10^{12} M_\odot }[/math]
• [math]\displaystyle{ N_{MW} \approx 10^{11} }[/math] (nombre d'estrelles)
• [math]\displaystyle{ R_{MW} = 50 \text{Kpc} }[/math]

Classificació per mida

• Gegants i supergegants: [math]\displaystyle{ M \approx 10^{13} M_\odot }[/math]
  • Inclouen les de tipus cD (embolcall difús), que són el·lípiques.
  • Normalment són galàxies resultat de fusió de múltiples galàxies.
• Gegants (en comparació a les nanes)
• Nanes: [math]\displaystyle{ L_X \leq 10^{-1} L_{MW}, M_X \geq -18 }[/math] (lluminositat en la banda X, però la banda és irrellevant)

Fusió de galàxies:

• Passa perquè les galàxies tenen un pou de potencial gravitatori on les altres galàxies es seuen atretes i fusionen amb ella.
• Al fusionar-se les galàxies s'interpenetren perquè les estrelles tenen molt poca probabilitat de xocar entre elles. Tot i així, la seva forma canvia i es converteix en una forma esfèric.
• El gas i al pols de les galàxies que xoquen es comprimeixen i es formen noves estrelles. Bàsicament es consumeix el gas fred de la galàxia i també s'augmenta la temperatura del gas pels xocs de les galàxies. Per tant, quan dues galàxies xoquen, s'atura la formació estelar.
• Fricció dinàmica: les galàxies es mouen per un medi i es concentra el material al darrera de la galàxia. Això fa que perdi velocitat i espirali al voltant d'una altra galàxia si està a prop.

Termes sobre agrupacions de galàxies:

• Grup: agrupació a petita escala
• Cúmul: agrupació a més gran escala

Via làctia: el bulb es podria dir que és com una galàxia el·líptica.

Galàxia NGC-1300, on es poden observar les barres al mig.

La meitat de les galàxies espirals (de disc) tenen barres (és un fenomen que es forma degut a la inestabilitat dels discos). De fet, la nostra galàxia és una galàxia barrada.

Nosaltres estem a 16/17 parsecs del nostre cúmul. "Estem a la perifèria"

Les galàxies es classifiquen entre actives o no: estan actives si el forat negre està tragant matèria o no.

Galàxia NGC 1427A, un exemple clar de galàxia irregular.

Irregulars: formen estrelles perquè tenen gas i pols --> tenen un color blavós.

Galàxies nanes: moltes d'elles acostumen a ser satèl·lits de les grosses. Per exemple, els cúmuls de Magallaes que són galàxies satèl·lits de la nostra i es poden veure a ull nu a l'hemisferi sud.

En una foto podrem diferenciar:

• Objecte que tingui una creueta (a causa de la difracció): estrella o objecte puntual que emet llum
• Objecte difós: galàxia

Cúmul globular vs. galàxia:

• Una galàxia formarà part d'un halo.
• Els cúmuls globulars no.

• En un cúmul globular totes les estrelles es formen alhora
• En una galàxia poden haver-hi múltiples generacions d'estrelles

Això es pot veure per exemple mesurant les velocitats de les estrelles (mirant els seus espectres).

Data: 29 novembre 2019

Andròmeda:

• 50% més massiva
• Té un satèl·lit nana esfèrica. (les nanes acostumen a ser galàxies satèl·lit)

@TODO: Insertar Hlrich_gals.jpg

• El que veiem en el visible és l'extensió de la part estelar, però les espirals s'extenen més enllà perquè es produeixen transicions de l'hidrogen (prohibides, passen el protó/neutró d'spins paral·lels a antiparal·lels) que podem detectar amb els radiotelescopis. En promig el disc de gas s'extèn el doble que el disc estelar.
• L'extensió del gas calent de les galàxies el·líptiques també és molt més gran que la de la part estelar.

@TODO: Insertar formació galàxies espirals a partir d'el·líptiques del paper

La pols pot aïllar una zona de gas que es refredi perquè no li arriba radiació d'altres estrelles que l'escalfi, i això pot ocasionar que es formi una estrella.

Classifació per energia emesa

• Galàxies regulars (també anomenades normals; regular galaxies)
• Galàxies actives: emet molta més energia que una regular. Hi ha dos subtipus:
  • Galàxies de formació estel·lar activa:
  • Galàxies amb un Super Massive Black Hole (SMBH) actiu ([math]\displaystyle{ M_{BH} \geq 10^6 M_\odot }[/math])

(Forat negre de la via làctia: 4 milions de masses solars.)

• Cadenes PP: Convertien 7% a energia
• Forats negres: per acreció converteixen un 50% a energia, mitjançant l'energia potencial (manera més efectiva de convertir energia)

La via làctia sembla que ha tingut en el passat una certa activitat (però baixa).

Les galàxies actives eren més abundant en el passat, de fet, perquè a l'espai primitiu hi havia més densitat de galàxies, fusionaven més i això feia que es desestabilitizèssin i caigués més material cap al forat negre del centre de la galàxia.

@TODO: Inserir "telescopi"

@TODO: activa_vs_nomrla.gif

• Un quàsar (quasi stellar source object, QSS, QSO) és una galàxia activa, així que la seva font és puntual. Es confòn amb una estrella perquè si està molt lluny només veiem la part central, no el voltant. I a més és molt brillant, perquè està molt lluny.
  • Si analitzes l'espectre es veu que no és una estrella, és una galàxia.
  • Si es fa un "eclipse artificial" (es tapa el centre; no sabem si amb un aparell o mitjançant software), es veu molt feblement el que hi ha al voltant del centre de la galàxia/quàsar.

@TODO: Insert activa_vs_normal_gals.jpg (comparació d'espectres de galàxia activa vs. normal)

• Els raigs X d'una galàxia activa provenen majoritàriament del centre de la galàxia.

@TODO: Insert giant_bubbles.jpg (mostra que degut a l'activitat passada del forat negre del centre de la Via Làctia es van formar unes súper bombolles simètriques)

• Els radiolòbuls d'una galàxia són resultat del disc d'acreció que té una galàxia (la matèria cau al forat negre en disc). La matèria del disc més propera al forat negre emet més. Per tant, hi ha emissions energètiques perpendiculars al disc. La massa del forat negre és molt elevada i per tant l'energia de la radiació que surt de prop d'allà és més elevada (per això surten raigs X).

Data: 2 de desembre de 2019

Recordatori: Classes de galàxies segons energia emesa:

• Actives
  • AGN (Active galaxy nuclei). Se li diuen radiogalàxies perquè són molt brillants a la banda de ràdio.
  • ULIG (high stellar formation) (Ultra-luminous infrared galaxy)

Per la via làctia:

• [math]\displaystyle{ \dot{M}_{*_{MW}} = \frac{dM_*}{dt} \approx \frac{1 M_\odot}{\text{year}} }[/math] (actualment)
• [math]\displaystyle{ \dfrac{\int \dot{M}_{*_{MW}} dt}{\int dt} = \lt \dot{M}_*\gt _{MW} \approx \frac{10 M_\odot}{\text{year}} }[/math]
• [math]\displaystyle{ L_{B, MW} \approx 2 \cdot 10^{10} L_\odot }[/math]

ULIRG:

• [math]\displaystyle{ \dot{M}_* \approx \frac{10^2 M_\odot}{\text{year}} }[/math]
• [math]\displaystyle{ L_{IR} \gtrsim 10^{12} L_\odot }[/math] (és molt)

Propietats de les AGN (Active Galaxy Nuclei)

• Alta L (lluminositat)
• Especre llum no tèrmic (no és de cos negre)
• La majoria de la llum prové dels dos extrems d'energia (ràdio i X + gamma)
• Nucli tipus estel·lar (presenta una creu al centre)
• Fortes línies d'emissió espectrals
• Ràpida variabilitat (~ dies o setmanes)
• Sovint presenten dolls 'ràdio'

Cúmuls globulars vs cúmuls estelars (star clusters):

• Cúmuls globulars molt més nombrosos (100 000 - 1 000 000 estrelles) que els cúmuls estelars (100 - 1 000 estrelles)
• Cúmuls globulars tenen estrelles de població II, i cúmuls estelars tenen estrelles de població I (més metàl·liques i noves)

Galàxy starburst: quan es pateix un brot de formació estelar. No són resultat de col·lisions i acostumen a passar en galàxies irregulars.

Brillantor superficial

Al ser una galàxia un objecte tan extens, ens interessa parlar d'aquesta brillantor superficial perquè potser la intensitat depèn de la distància.

@TODO: Inserir dibuix apunts @#3

[math]\displaystyle{ I = \frac{F}{\alpha^2} = \frac{\frac{L}{4 \pi d^2}}{\left( \frac{D}{d} \right)^2} \implies I = \frac{L}{4 \pi D^2} }[/math]

[math]\displaystyle{ I(R) }[/math] amb radi projectat i 'circularitzat'

• Perfil de Sèrsic: [math]\displaystyle{ I(R) = I(0) \exp \left[ - \left( \frac{R}{R^*} \right)^{\frac{1}{n}} \right] }[/math], on [math]\displaystyle{ R^* }[/math] és el radi característic i [math]\displaystyle{ n }[/math] és l'índex de Sèrsic.
  • [math]\displaystyle{ n = 1 }[/math]: galàxies espirals (perfil exponencial)
  • [math]\displaystyle{ n = 4 }[/math]: galàxies el·líptiques i el bulb del centre de les galàxies de disc

(unitats típiques d'intensitat: [math]\displaystyle{ L_\odot \cdot \text{pc}^2 }[/math]; també es pot utilitzar com a àrea [math]\displaystyle{ \frac{\text{magnituds}}{\text{pàrsec}^2} }[/math])

Brillantor per unitat de superfície: [math]\displaystyle{ \mu = m + 2.5 \cdot \log A }[/math] (diem [math]\displaystyle{ X\mu \text{ magnituds} }[/math])

• [math]\displaystyle{ n = 1 \implies \mu (R) = \mu_0 + 1.822 \left( \frac{R}{R_e} \right) }[/math] on [math]\displaystyle{ R_e }[/math] és el radi efectiu.
• [math]\displaystyle{ n = 4 \implies \mu (R) = \mu_0 + 8.327 \left( \frac{R}{R_e} \right)^{\frac{1}{4}} }[/math]

Definició de radi efectiu d'una galàxia

El radi efectiu bàsicament ens diu la mida d'una galàxia (quan gran és). Hi ha diverses definicions:

• Radi de Vaucouleurs: [math]\displaystyle{ 25 B\mu }[/math]
• Radi de Holmberg: [math]\displaystyle{ 26.5 B\mu }[/math]

[math]\displaystyle{ R_e }[/math] és el radi 'propietat' dins del qual [math]\displaystyle{ L_{\text{integrada}} = \frac{L_{\text{total}}}{2} }[/math]

Data: 5 de desembre de 2019

És a dir, si [math]\displaystyle{ L = 2 \pi \int_0^\infty \mu(r) r \, dr }[/math], aleshores [math]\displaystyle{ R_e }[/math] es calcula com el valor que compleix la següent igualtat: [math]\displaystyle{ \frac{L}{2} = 2 \pi \int_0^{R_e} \mu(r) r dr }[/math]

[math]\displaystyle{ \text{Nivell del cel} \approx 22.5 \; B\mu \leq 10^2 \frac{L_\odot}{pc^2} }[/math] (magnituds superficials)

En teoria només podríem veure les galàxies HSB (no el LSB) pel nivell del cel, però avui en dia els aparells, mitjançant models, permeten remoure el cel i aconseguir arribar a reduir el nivell del cel fins a un 1-5%.

• [math]\displaystyle{ \tilde{R_e} \approx 1-10 \; kpc }[/math]
• [math]\displaystyle{ R_{e, MW} \approx 3.5 \; kpc }[/math]
• [math]\displaystyle{ R_{e, CD} \leq 100 \; kpc }[/math]

En el cas de les galàxies de disc s'utilitza la longitud d'escala del perfil exponencial.

[math]\displaystyle{ I(R_d) = \frac{I(0)}{e} }[/math] ([math]\displaystyle{ R_d }[/math] és el radi del disc), i [math]\displaystyle{ R_e = 1.69 R_d \implies \begin{cases} S: 4-5 R_d \\ E: 4 R_e \end{cases} }[/math]

[math]\displaystyle{ E: 10^4 L_\odot/pc^2; S: few \times 10^2 L_\odot/pc^2 }[/math]

Perfils de llum 3D

El·líptiques (Llei de Hernguist)

[math]\displaystyle{ \rho(r) = \frac{M}{2 \pi} \frac{r_0}{r(r_c + r)^3} }[/math] (on [math]\displaystyle{ r_0 }[/math] és el radi característic (factor lineal d'escala)).

[math]\displaystyle{ \lim_{r \to r_0} \rho(r) = \frac{1}{r}; \lim_{r \to \infty} \rho(r) = \frac{1}{r^4} }[/math]

Espirals

[math]\displaystyle{ \rho (R, z) = \rho_0 \exp \left( -\frac{R}{R_d} \right) \exp \left( -\frac{|z|}{h} \right) }[/math] (on R és el radi cilíndric, z la coordenada vertical i h el factor d'escala vertical; [math]\displaystyle{ h \approx \frac{R_d}{10} }[/math])

Les estrelles més joves (població I) neixen a [math]\displaystyle{ z = 0 }[/math] (l'anomenat disc prim) mentre que les més velles (població II) no tenen per què trobar-se a [math]\displaystyle{ z = 0 }[/math] perquè poden sortir cap enfora.

A la via làctia, la distribució d'estrelles per població és la següent:

• Disc: principalment població I
• Halo: principalment població II
• Bulb: mix de població I i II

En tot el bulb no es formen noves estrelles però a la zona al voltant del forat negre realment sí que es formen per la alta concentració de gas i pols.

Les galàxies el·líptiques tenen més cúmuls globulars que les de disc. Té sentit perquè les el·líptiques es formen a causa de fusions de galàxies de disc, si no fos així seria un problema.

Òrbites de les estrelles a la Via Làctia:

• Estrelles del disc: nearly circular orbits in the disk of the galaxy
• Estrelles de l'halo: @TODO: copiar això d'una imatge que ha posat al projector on explica això

@TODO: posar aquí la gràfica de dispersions i copiar una mica els apunts de l'assignatura

Data: 11 desembre 2019

• Galàxies el·líptiques:
  • [math]\displaystyle{ E \in [10^7, 10^{13}] }[/math] (límit inferior per les dE (nanes) i límit superior per les cD)
  • [math]\displaystyle{ B \in [-8, -24] }[/math]
• Galàxies espirals:
  • [math]\displaystyle{ E \in [10^9, 10^{12}] }[/math]
  • [math]\displaystyle{ B \in [-16, -23] }[/math]
• Irregulars:
  • [math]\displaystyle{ E \in [10^8, 10^{10}] }[/math] (moltes són nanes)
  • [math]\displaystyle{ B \in [-13, -20] }[/math]

Si treiem les cD, les el·líptiques i espirals són molt similars en mida, massa, energia, etc.

Cinemàtica (interna)

• El·líptiques (clàssiques): [math]\displaystyle{ V_{\text{rot}} \lt \lt \sigma }[/math] (on [math]\displaystyle{ \sigma }[/math] és el tensor de velocitat de dispersió)
• El·líptiques (mida mitjana) + bulbs: [math]\displaystyle{ V_{\text{rot}} \approx \sigma }[/math]
• Espirals (+ irregulars): [math]\displaystyle{ V_{\text{rot}} \gt \gt \sigma }[/math]

De fet, està cometent un abús de notació, perquè amb [math]\displaystyle{ \sigma }[/math] realment es refereix a les seves components.

@TODO: Insert @#4

Dinàmica

• El·líptiques: pel Teorema del Virial, [math]\displaystyle{ M_* \approx (3 \sigma_{\text{l.o.s.}})^2 }[/math], on [math]\displaystyle{ \sigma_{\text{l.o.s.}} }[/math] és la velocitat de dispersió al llarg de la línia de visió (line of sight). (hem suposat isotropia, és bona en 1ª aproximació)

Definició de la velocitat circular: [math]\displaystyle{ \frac{V^2(R)}{R} \frac{GM(\lt R)}{R^2} \iff V_{\text{rot}}(R) \propto \sqrt{\frac{M}{R}} }[/math]. Bo per R cilíndrica amb un error de aprox. 10.45º.

@TODO: Include rotationcurve1.jpg

Si $V_{\text{rot}}(R) = \text{ct.} \implies M(R) \propto R$ ([math]\displaystyle{ M_*(R) }[/math] NO HO ÉS!)

Hot dark matter vs. cold dark matter

• Cold dark matter: està formada per partícules que es mouen a "baixes" velocitats. És de la que parlem quan ens referim a la matèria fosca en galàxies.

Halos de matèria fosca

Tenen forma universal per tots els tipus de galàxies.

Forma empírica (no és l'única, aquesta és de Navarro-Frenk-White (NFW)): [math]\displaystyle{ \rho(r) \propto \frac{1}{\left( \frac{r}{r_s} \right) \left( 1 + \frac{r}{r_s} \right)^2} }[/math]

on [math]\displaystyle{ r_s }[/math] és el factor d'escala. [math]\displaystyle{ lim_{r \to 0} \rho(r) \propto \frac{1}{r}; \quad lim_{r \to \infty} \rho(r) \propto \frac{1}{r^3} }[/math]

Els efectes de la matèria fosca dominen més a "l'extraradi" de les galàxies que no al centre, on es pot bàsicament ignorar.

El Sol a la seva òrbita fa "ziga-zagues" i oscil·la. Quan passa pel punt intermig, on està el pla del disc, es diu que això fa que hi hagi una pluja del núbol d'ordt i formen grans catàstrofes (això és molt probable que ho hagi entés malament). El període de les oscil·lacions, però, és de l'ordre de millons d'anys.

Galàxies espirals: El disc està ple de gas. Arriba una ona de densitat i es comprimeix, i això forma estrelles. Per això els braços són de color blau. Els braços són ones de densitat (alta densitat) que no estan lligades al disc.

@TODO: Insert spiral_density_waves

Això explica que l'entertolligament dels braços es retardi, però no que no s'entertolliguin. Això últim és pel fet que la gravetat manté les òrbites congelades.

Curiositat: Lindblad resonance (https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept14/Kormendy/Kormendy4.html)

Data: 29 novembre 2019

• HI (hidrogen neutre) emet a [math]\displaystyle{ \lambda = 21 \text{ cm} }[/math].
• Per detectar [math]\displaystyle{ H_2 }[/math], com és difícil de detectar, es pot detectar el CO, que està correlacionat amb l'hidrogen i sí que el podem detectar fàcilment.
• En galàxies de gas fred, per cada bilió (10^12) àtoms de gas, hi ha una partícula de pols.
• HI té dues fonts d'ionització, a causa de la radiació ultraviolada.
  • • Noves estrelles
      • Esfera d'Stromgren: regió d'una estrella nova on hi ha HII. (T > 20 000 K)
    • Medi intergalàctic (quàsars, ...)
• Sagitari A: Punt del cel on es troba el forat negre supermassiu central de la Via Làctia.
• Hypervelocity stars: estrelles que surten disparades perquè estaven en un sistema binari, es van apropar a un forat negre, i una estrella es va quedar atrapada orbitant al forat negre però l'altra va sortir disparada.
• Hem detectat 45 galàxies satèl·lit de la Via Làctia.
• 45% dels cúmuls globulars roten en el sentit diferent a les galàxies (tenen velocitats retrògrades).
  • Una possible explicació és que és causa de les interaccions amb les galàxies satèl·lits.

Fricció dinàmica

Les galàxies, per fricció dinàmica, espiralen cap a la galàxia a la que orbiten.

[math]\displaystyle{ \frac{dv}{dt} \propto -\frac{M \rho_{\text{bach}}}{v^2_{\text{rel}}} }[/math] (desacceleració)

@TODO: Insert tidal_streams_north.jpg, tidal_streams_MW.png

• Les galàxies petites, doncs, desacceleren més ràpidament que els cúmuls globulars, i "decauen" abans.
  • Les galàxies petites tenen més massa perquè tot i tenir menys estrelles la massa total és més gran.
• Streams: Restes de galàxies i cúmuls globulars que es van desfent i van deixant el seu material pel seu recorregut
• Les galàxies centrals dels cúmuls solen ser el·líptiques.
• Cosmic web: la matèria fosca és l'exoesquelet.

@TODO: Insert cosmic_web2.jpg