Formación y Evolución de galaxias Patricia Sánchez-Blázquez (UAM) Mercedes Mollá (CIEMAT)

GALAXIAS: ESTRELLAS y ENRIQUECIMIENTO QUÍMICO Composición del Universo: 5% de materia “normal” 25% materia oscura 70% energía oscura Formación de estructuras: simulaciones cosmológicas de formación de galaxias: como el gas forma galaxias Tipos de galaxias Evolución morfológica de galaxias GALAXIAS: ESTRELLAS y ENRIQUECIMIENTO QUÍMICO Vida y muerte de estrellas. Evolución estelar: vidas medias y nucleosíntesis Formación de estrellas Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Poblaciones Estelares Enriquecimiento químico Parte II Poblaciones Estelares Enriquecimiento químico Formación de estrellas dentro de una galaxia Como evoluciona una galaxia por la evolución de sus estrellas

Secuencia morfológica de galaxias Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Hay 40 galaxias en el grupo local de las cuales 37 son enanas: dE´s alrededor de M31 dSph´s alrededor de MWG y M31 dIrr´s las más alejadas del centro Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Cada galaxia está en un halo de materia oscura Dentro del halo está el disco que es la parte brillante Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Galaxia espiral simulando la Vía Láctea Existen galaxias espirales con un bulbo prominente y otras con menos bulbo o ninguno Bulbo Estamos aquí Barra Disco Brazos Distancia Sol-Centro Galactico= 8kpc=25x10 16km=26000 años-luz Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Dentro de una galaxia se forman estrellas Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

PROTOESTRELLA Eva Villaver & Pepe Cernicharo Cuando un gas sufre un aumento de presión o se expande o se calienta Nube de gas en colapso gravitatorio Fraccionamiento Aumento de la temperatura Las estrellas se forman a partir de nubes de gas Estas nubes estan compuestas de gas molecular frío La propia masa hace que se condensen por gravedad en la zona central Aumenta la densidad y la presión central hasta que las condiciones son suficientes para que comience a haber reacciones nucleares de fusión: equilibrio hidrostático Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

La posición de las estrellas en este diagrama depende de su masa y de su edad Las masivas van arriba, las de menos masa en la parte de abajo en la secuencia principal A medida que envejecen se van saliendo de esta línea hacia arriba y a la derecha Cuando se les acaba el combustible acaban como enanas blancas o estrellas de neutrones Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

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Temperatura Efectiva: SECUENCIA PRINCIPAL g Pr A partir de 107 K : H  He Presión de RadiaciónequilibrioGravedad Etapa estable y larga Duración inversa a la masa: Masa Vida Temperatura Efectiva: O B A F G K M Más de 25.000º 11.000º - 25.000º 7.500º - 11.000º 6.000º - 7.500º 5.000º - 6.000º 3.500º - 5000º Menos de 3.500º Masa del Sol: 2 x 1030Kg Radio del Sol: 700.000 Km Temperatura del sol: 5.815º Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Créditos: Far-infrared: ESA/Herschel/PACS/SPIRE/Hill, Motte, HOBYS Key Programme Consortium X-ray: ESA/XMM-Newton/EPIC/XMM-Newton SOC/Boulanger Nebulosa del Aguila: región donde estan formandose estrellas, estrellas recien nacidas. Está a 6500 años-luz. La imagen esta hecha con XMMM-Newton (rayos-X) + imagen infraroja de Herschel. Hay una remanente de supernova en su interior, cuya onda de choque destruira las estructuras, incluyendo los conocidos Pilares del Universo. Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Desequilibrio  Separación entre el núcleo y la envoltura GIGANTE ROJA La fase comienza cuando se acaba el combustible g Desequilibrio  Separación entre el núcleo y la envoltura Colapso Gravitatorio Aumento de P y T Inicio de nuevas reacciones: He  C Expansión enorme Reducción de P y T Color Rojo Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

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DIAGRAMAS COLOR_MAGNITUD: equivalente del diagrama H-R para las estrellas La relación del Pto de Giro con la HB La relación del pto de giro con la rama RSG Extensión del blueloop Rama de la subgigantes Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

POBLACIONES ESTELARES CONCEPTO: Población estelar es un conjunto de estrellas de la misma edad y la misma composición química… Es decir que se ha formado en el mismo tiempo de una sola vez. Baade (1994) Población I: estrellas como las de la Vecindad Solar, asociadas al disco galáctico. Población II: Estrellas asociadas al halo galáctico distribuidas esferoidalmente Son objetos jóvenes, de alto contenido metálico y con pequeñas dispersiones de velocidades Son objetos viejos, pobres en metales y con dispersiones altas. Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

HST Nuevos diagramas HR Con el Hubble se han observado hasta 10.000 0 20.000 estrellas a la vez. Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

CUMULOS GLOBULARES Los cúmulos globulares reagrupan varios millones de estrellas, a veces centenares de millones, extremadamente concentrados en un grupo compacto de simetría esférica. Están distribuidos en el halo y en el bulbo de forma esférica, moviéndose en órbitas muy alargadas que pasan cerca del centro galáctico. En las galaxias externas cercanas como M31 y M33 también se han visto alrededor del disco. Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

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Cúmulos abiertos con una amplitud grande en edad y en Z Tienen una estructura mucho más abierta que los CG y contienen solo centenares de estrellas. Se mueven siguiendo la rotación galáctica, (s pequeña) Se han formado en nubes interestelares que ya eran ricas en elementos pesados. Pertenecen al disco galáctico y contienen población I. Numerosas gigantes azules rodeadas de gas y variables Cefeidas. La edad es variable, desde 70 Ga hasta cientos de Ga. Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

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La posición de las estrellas en este diagrama depende de su masa y de su edad Las masivas van arriba, las de menos masa en la parte de abajo en la secuencia principal A medida que envejecen se van saliendo de esta línea hacia arriba y a la derecha Cuando se les acaba el combustible acaban como enanas blancas o estrellas de neutrones Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Física Nuclear y Nucleosíntesis Atomo: núcleo rodeado de electrones, carga eléctrica negativa Núcleo atómico: neutrones y protones, carga eléctrica positiva Dos núcleos, con cargas positivas, se repelen como dos polos iguales de un imán Necesitan superar una cierta distancia…cuando estan muy cerca le interacción nuclear o fuerza fuerte puede a la interacción electromagnética La fusión nuclear o fusión de dos núcleos atómicos produce un nuevo núcleo atómico (corresponde a otro elemento químico) y E Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012 Almería, Enero 2012

Ciclo pp: estrellas de baja masa m<4Mo Ciclo pp+CNO: estrellas de masa intermedia 4Mo< m < 8Mo Ciclo CNO+ captura : estrellas masivas m > 8Mo Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Eva Villaver Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Production of nuclei in stars: Stellar yields Eva Villaver Intermediate mass stars: 4 Msun< m < 8 Msun Burning of 12C CNO cycle Production of N (primary) Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Cuando una estrella pequeña (como el sol) se muere lo hace en forma lenta: NEBULOSA PLANETARIA Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Producción de núcleos atómicos Estrellas masiva: m > 8Msun Producción de elementos por procesos alfa Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

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Se crean elementos más allá del Hierro Durante la explosión se produce la nucleosíntesis explosiva inducida por la onda de choque. Se crean elementos más allá del Hierro Cuando una estrella grande se muere lo hace con una explosión enorme: SUPERNOVA Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Los elementos químicos se forman por tres procesos En los centros de las estrellas comienzan los procesos de fusión nuclear Los diferentes elementos son expulsados por diferentes tipos de estrellas: El oxígeno se crea en estrellas muy masivas (de más de 25 masas solares) El nitrógeno se produce parcialmente por estrellas de masa menor de 8 masas solares El hierro se produce en las explosiones de las llamadas supernovas de tipo Ia que son explosiones termonucleares de sistemas binarios Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Almería, Enero 2012

Low mass stars produce He and C12 Cycle pp: low mass stars m<4Mo Cycle pp+CNO: intermediate mass stars 4Mo< m < 8Mo Cycle CNO+ capture : massive stars m > 8Mo Low mass stars produce He and C12 Intermediate mass stars produce C,N and O Massive stars produce O,Ne,Mg,S..,N, and Fe Binary Systems, SNIa Fe The meanlifetimes of different stars explain the relative abundances of elements Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Cardiff, October 2011 37

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Espectros estelares: relación con la masa inicial Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Espectros de poblaciones estelares Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Variacion con metalicidad Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

POBLACIONES ESTELARES INTEGRADAS Im =NGC300 Scd= M33 Sbc= MWG Coleman(1980) Buzzoni (2005) Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

HISTORIA DE LA FORMACIÓN ESTELAR En el caso de observar una galaxia completa y obtener un espectro integrado, tenemos poblaciones estelares de diversas edades y metalicidades mezcladas, muchas generaciones de estrellas superpuestas ¿cómo analizar o interpretar estas observaciones? La historia de la formación estelar se determina comparando un diagrama observado o un espectro observado con otro calculado. Para ello se usan: Trazas evolutivas de estrellas individuales Una función inicial de masas Una ley de enrojecimiento Una ley de formación estelar Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Degeneración edad-metalicidad Una población vieja y pobre en metales puede tener un espectro similar al de una población joven más metálica Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

La relación de las distribuciones espectrales de energía con las historias de formación estelar y enriquecimiento químico SFH y AMR Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

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Gradientes de abundancia en discos Relación de gradientes con la formación de estrellas en distintas regiones de los discos Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

THE RADIAL GRADIENTS OF CNO ABUNDANCES Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Cardiff, October 2011 48

Nitrogeno vs Oxigeno Los puntos negros representan modelos teóricos en el plano N/O vs O/H comparados con datos (puntos azules y verdes) Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Cardiff, October 2011 49

THE RELATION N/O-SFR-SFH Galex data (Mallery et al. 2007) Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI Cardiff, October 2011 50

Relación masa-metalicidad F. Rosales, 2012, astroph Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

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NGC3603-HST Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

Pleyades Julio 2012, La Cristalera, La Astrofísica del siglo XXI

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