Formazione delle Strutture Cosmiche

1. Formazione delle Strutture Cosmiche Stefano Borgani Dipartimento di Fisica Universita’ di Trieste (INAF & INFN - Trieste) 1. Le domande fondamentali della cosmologia moderna 2. Perche’ affrontarle con osservazioni dallo spazio? 3. Con quali strumenti ? Presentazione basata su: "Studio su tematiche e modelli nel campo della cosmologia e fisica fondamentale dallo spazio” (2004-2009) "Feasibility study on High Energy Astrophysics: fields of interest and perspectives for the national community” (2004-2009) “Piano lungo termine (PLT) INAF” (2008-2018) Talk @ ASI Workshop, Roma, 2 & 16 Dicembre 2009

2. Il Contenuto in materia ed energia dell’Universo CMB Sn-Ia Ammassi di galassie Distribuzione delle galassie Lensing gravitazionale

3. L’impronta di DM e DE sull’evoluzione cosmica Piccole disomogeneita’ iniziali (CMB)  Amplificazione gravitazionale  Formazione di prime piccole strutture (galassie)  Formazione di strutture piu’ grandi (ammassi) per “merging”

4. La distribuzione di galassie su grande scala Mappa dell’Universo vicino dalla Sloan Digital Sky Survey (~ 500.000 galassie) Domande fondamentali:  Quale impronta lasciano DM e DE sull’evoluzione del’Universo?  E’ necessario ripensare la natura della gravita’ ?  Quale meccanismo ha generato nell’Universo primordiale i “semi” per formare le galassie? Percival et al. 09

5. Crescita delle strutture cosmiche: la distribuzione di galassie Guzzo et al. 07: crescita delle perturbazioni dai moti peculiari delle galassie Perche’ dallo spazio?  Spettroscopia: qualita’, profondita’, stabilita’, velocita’ non ottenibili da terra  Lensing: qualita’ e stabilita’ di “imaging” non ottenibili da terra Percival et al. 09

6. Ammassi di galassie Strumenti per cosmologia e laboratori di astrofisica Presente (in banda X): ~1000 ammassi da ROSAT nell’Universo locale (z<0.2) ~ 40 ammassi distanti (z>0.5) + Osservazioni con Chandra & XMM Abell 1689 Forte comunita’ italiana Eredita’ di Beppo-SAX !! Cosa e’ richiesto per il futuro? Sensibilita’ ~103 Chandra/XMM:  tracciare il ciclo dei barioni cosmici fino a 1/3 dell’eta’ dell’Universo  tracciare ad alta precisione l’evoluzione delle strutture cosmiche SB et al. 01

7. Crescita delle strutture cosmiche: gli ammassi di galassie Perche’ dallo spazio?  X-ray: 1. Non accessibile da terra 2. Dettagliate infos su stato fisico e dinamico  Ottico da terra: 1. Spettroscopia inefficiente 2. Incompletezza statistica  Sunyaev-Zeldovich da terra: 1. Scarsa risoluzione spaziale 2. Contaminazione 3. Limitata spettroscopia SB & Guzzo 01 Andreon et al. 09 Con Dark Energy Senza Dark Energy JCKS-041: X-ray + ottico ; zphot~1.9  L’ammasso piu’ distante confermato in banda X Ammassi distanti: traccianti sensibili dei costituenti dell’Universo

8. Le prime galassie e la fine delle “Dark Ages” ~ 2 x108 yr dopo il Big Bang: comparsa di prime stelle e BH ~ 4x108 yr: primi episodi significativi di arricchimento in metalli dell’Universo < 109 yr: l’Universo e’ completamente re-ionizzato Domande fondamentali:  Come si formano le prime galassie a partire dal gas primordiale?  Quali sono le sorgenti responsabili della re-ionizzazione?

9. La storia di formazione delle galassie Formazione cosmologica di una “Milky Way” (credit F. Governato) Formazione di galassie da “merging” continuo di strutture piu’ piccole.  Quali sono le tracce di questo “merging” nella popolazione stellare della Galassia?

10. Con quali strumenti?

11. GAIA: tracciare la storia di formazione della Galassia Missione ESA: lancio 2012 Classe “M” Combinazione di astrometria, fotometria e spettroscopia Obiettivo scientifico primario:  Origine della Galassia 1. Posizioni, velocita’ e composizione chimica di ~109 stelle 2. Ricostruzione di struttura e dinamica della Galassia Coinvolgimento italiano per:  Sistemi di calcolo per archiviazione dati  Validazione astrometria  Supporto analisi dati

12. James Webb Space Telescope (JWST) the “First Light Machine” • NASA top priority • “deployable telescope” 6.6 m •  = 0.6-28 m • Costo: 4 billion $ • ~ 100 piu’ sensibile di HST & Spitzer • Lancio: 2014 2.2 arcmin Lanciatore (Ariane5) NIRSpec MIRI Operations Obiettivo scientifico primario: Prime galassie formate alla fine delle “Dark Ages” Nessun supporto da ESA per analisi dati:  Supporto da ASI assolutamente necessario!! > 15 % Tempo di osservazione

13. SPICA “Medium Size”: selezionata da ESA Cosmic Vision per Fase A: partecipazione a missione con leadership JAXA SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics  Telescopio di 3.5 m Imaging e spettroscopia nel medio/lontano infrarosso Tra gli obiettivi scientifici:  Formazione ed evoluzione delle galassie: formazione stellare “dust hidden”  Dischi protoplanetari Partecipazione ESA per SAFARI (FIR imaging spectrometer) Partecipazione italiana attraverso il Consorzio SAFARI

14. EUCLID: il primo telescopio spaziale ottico Europeo Missione “Medium Size” selezionata da ESA Cosmic Vision per Studio di Fase A Merging di SPACE + DUNE  Telescopio di 1.2 m Obiettivo scientifico principale: Rivelare la natura di Materia ed Energia Oscure dalla struttura ed evoluzione dell’Universo Strumenti:  Distribuzione delle galassie da survey spettroscopica  Lensing gravitazionale cosmico da “imaging survey”

15. EUCLID (II) PI-ship italiana per la componente spettroscopica (EUCLID-NIS) A. Cimatti (Univ. Bologna) Slitless spectrograph (baseline) Slitless: > 6 x 107redsh. (0.5<z<2.0) DMD: > 2 x 108 redsh. (0<z<2.5)  DMD: Baseline nel proposal originale (SPACE)  Notevole impatto sulla scienza  Considerato “opzione” da ESA  Opportuno che ASI difenda EUCLID-NIS da “descoping”!! DMD spectrograph (option)

16. Il futuro delle survey in banda X Wide Field X-ray Telescope - WFXT Medium Class Mission Obiettivo: Survey “soft X” su tutto il cielo con sensibilita’ simile ai campi profondi (~ 1 sq. deg.) di Chandra & XMM.  Il primo telescopio X disegnato per survey  Alta priorita’ negli studi ASI FS di HEA e COFIS, INAF PLT  Sottomesso alla US Astro-2010 Decadal Survey  Notevole contributo italiano (supportato da ASI) per: - Sviluppo tecnologico (specchi) - Definizione del caso scientifico R. Giacconi (Premio Nobel 2002): “La mia migliore idea su un telescopio da costruire.” WFXT ROSAT WFXT z>1 XMM, Spitzer @ z>1

17. Alcune considerazioni programmatiche Strategia coerente perseguita dalla comunita’ italiana impegnata nella ricerca su “Formazione di Strutture Cosmiche” 1.Natura di Materia ed Energia Oscure e le leggi fondamentali dell’Universo:  partecipazione a missioni per survey ottiche/near-IR e X (EUCLID, WFXT, GAIA) 2. Come si sono create le galassie?  partecipazione a missioni di grande sensibilta’ (JWST, IXO, SPICA) 3. Stretta collaborazione con comunita’ di CMB, AAE, teorico/numerica e astroparticellare. L’Italia ha un ruolo primario (da mantenere) per: Proposizione e definizione del caso scientifico  Sviluppo tecnologico ed implementazione  Sfruttamento scientifico dei dati osservativi