Universidade Federal do ABC
Jessica Gonçalves de Sousa
E-mail: [email protected]
Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II
Formação das Galáxias
● Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas.
● Mas como elas surgiram?
● Elas evoluem?
A maioria das galáxias se formaram cedo, mas dados do
telescópio Galaxy Explorer (Galex), da NASA, indicam
que algumas galáxias se formaram recentemente ao
longo dos últimos bilhões de anos.
Formação das Galáxias
As duas suposições bases para a maioria das teorias
que são feitas a respeito são:
- Ele (universo) estava repleto de hidrogênio e hélio
- Algumas áreas eram ligeiramente mais densas que
outras.
Formação das Galáxias
Os astrônomos acreditam que as áreas mais densas
desaceleraram a expansão ligeiramente, permitindo que
os gases se acumulassem em pequenas nuvens
protogalácticas.
Formação das Galáxias
Nessas nuvens, eram formadas as estrelas devido ao
colapso entre gás e poeira.
Formação das Galáxias
A medida que se contraíam, formavam discos giratórios,
que por sua vez atraíam mais gases e poeira com a
força da gravidade e com isso os discos galácticos se
formaram, e dentro deles eram criados mais estrelas.
Formação das Galáxias
https://www.youtube.com/watch?v=y29RqyYdknw
A grande maioria das Galáxias têm formas mais ou
menos regulares quando observadas em projeção contra
o céu, e se enquadram em duas classes gerais: espirais
e elípticas. Algumas galáxias não têm forma definida, e
são chamadas irregulares. Atualmente se sabe que as
galáxias nascem nas regiões de maior condensação da
matéria escura. A distribuição destas condensações é
aleatória.
Formação das Galáxias
Há dois fatores neste processo que podem ser
responsáveis pelas diferenças entre as galáxias elípticas
e as galáxias espirais.
Formação das Galáxias
O primeiro fator é o momento angular (quantidade de
momento giratório) – as nuvens protogalácticas com
maior momento angular podiam girar mais rápido e
formar discos espirais. Em galáxias espirais existe mais
gás e estrelas de todas as idades e metalicidades (as
mais jovens tendo metalicidades mais altas) incluindo a
formação estelar atual.
Formação das Galáxias
As galáxias espirais têm diâmetros que variam de 20 mil
anos-luz até mais de 100 mil anos-luz. Estima-se que
suas massas variam de 10 bilhões a 10 trilhões de vezes
a massa do Sol. Nossa Galáxia e M31 são ambas
espirais grandes e massivas.
Formação das Galáxias
As nuvens com rotação mais lenta podem ter formado as
galáxias elípticas.
As galáxias elípticas tem predominantemente estrelas
velhas e de baixa metalicidade e pouco gás.
Formação das Galáxias
O segundo fator é o resfriamento, nuvens de alta
densidade se resfriavam mais rápido, consumindo todo o
gás e poeira na formação de estrelas, assim não sobrando
matéria para um disco galáctico, por isso que as galáxias
elípticas não possuem discos.
Formação das Galáxias
Evolução das Galáxias
O Universo começou com o Big Bang, e apenas 1
bilhão de anos depois começaram a surgir as
primeiras galáxias.
No início, o gás resultante do nascimento do Universo
sofreu algumas sobredensidades.
Zonas de maior densidade aconteceram por processos
que podiam ser espontâneos.
Através dessas sobredensidades, o gás e a poeira
começaram a se contrair, dando origem as primeiras
estrelas.
● A medida que o gás e a poeira iam se contraindo,
começavam a surgir as nuvens protogalácticas.
● Porém, somente essas sobredensidades não
explicam o surgimento de todas as galáxias e muito
menos suas evoluções.
● Assim, precisamos entender como funciona a interação
entre essas estruturas.
Evolução das Galáxias
● Ao contrário das estrelas, galáxias têm tamanhos
consideráveis em comparação às distâncias entre
elas.
● As distâncias são muito grandes, mas o tamanho
das galáxias também é.
Evolução das Galáxias
● Se essa interação existe, o conceito dos “Universos
Ilhas” não faz sentido.
● É possível observar galáxias interagindo, dessa
forma, sabemos que esse processo é real.
Evolução das Galáxias
Comparadas às estrelas, às galáxias ficam relativamente
perto uma das outras, podem interagir... E em que isso
afeta a evolução das galáxias?
Evolução das Galáxias
● Podem acontecer dois tipos de interação entre as
galáxias:
● Colisão
● Fusão
Evolução das Galáxias
As galáxias podem colidir. Quando colidem, elas na verdade
se atravessam mutuamente – em geral, as estrelas que elas
contêm não se chocam devido às grandes distâncias que as
separa.
Colisão de Galáxias
● A interação que acontece entre as
estrelas é gravitacional, um
processo chamado fricção
dinâmica.
● Imagine um corpo, por exemplo uma
galáxia anã ou um aglomerado,
passando pelo “mar” de estrelas
de uma galáxia maior.
● Esse corpo atrai as estrelas, que
vão se aglomerando atrás dele e
puxando-o para trás.
Colisão de Galáxias
● Por conta desse acumulo de massa atrás do corpo que está
passando pela galáxia, surge uma força contrária ao seu
movimento, o que o faz frear, por isto o nome fricção.
● A velocidade com que o corpo atravessa a galáxia influencia a
força sentida por ele. Quando mais rápido o corpo atravessa a
galáxia, menos fricção dinâmica ele sofre.
● Caso o corpo seja uma galáxia satélite ou um aglomerado
globular, a velocidade mais importante é a velocidade de
rotação desses corpos.
Colisão de Galáxias
O que pode resultar das
colisões:
novas ondas de formação
de estrelas
supernovas;
Colapsos estelares que
formam os buracos negros,
ou buracos negros
supermassivos em galáxias
ativas.
Evolução das Galáxias
Fusão de Galáxias
A fusão é uma das etapas mais importantes para a formação e
evolução das galáxias.
É através da fusão que as galáxias podem ganhar, ou perder,
massa e momento angular.
Se duas galáxias colidem com velocidade muito alta, as
estrelas não têm tempo para alterar suas posições, uma vez que
a fricção dinâmica é inversamente proporcional à velocidade.
Elas acabam atravessando uma a outra sem frear demais.
Porém, as estrelas ganharam um pequeno empurrão,
aumentando sua energia cinética.
Fusão de Galáxias
E qual a consequência desse aumento na energia
cinética?
A galáxia aumenta de tamanho
ou
Material é expulso da galáxia
Fusão de Galáxias
Um exemplo dessa fusão pode ser visto na galáxia
Roda de Carruagem.
Uma das galáxias atravessou a outra, não se sabe ao
certo qual, isso causou a expulsão de material em
forma de anel, com 46 kpc de diâmetro, onde ocorre
formação estelar.
Galáxia Roda de Carruagem
Outro exemplo de fusão é o que está acontecendo agora entre
as Nuvens de Magalhães e a Via Láctea. As Nuvens de
Magalhães já passaram diversas vezes pelo Disco Galáctico
da Via Láctea, e serão completamente incorporadas em
nossa Galáxia em 14 bilhões de anos.
Fusão de Galáxias
Em cor de rosa: a corrente magellânica, gás que
foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas
passagens pelo disco.
• Fusões e canibalismo:
Fusões acontecem entre galáxias de tamanhos
semelhantes. Canibalismo acontece entre galáxias de
tamanhos diferentes.
Evolução das Galáxias
Tidal Stripping
Galáxias não são pontos, elas
possuem tamanho e volume
consideráveis, assim, elas sofrem
forças de maré causadas pelo campo
gravitacional de outras galáxias.
Se uma galáxia ultrapassa seu tidal
radius, que é o limite no qual o gás
está ligado gravitacionalmente à
galáxia, ela perde material para outra
galáxia.
Tidal Stripping, é o análogo galáctico
de uma estrela ultrapassando seu
limite de Roche.
https://www.youtube.com/watch?v=AcAMw29zXx0
Tidal Stripping
Esse processo é provavelmente a causa de alguns fenômenos, como:
A corrente magellânica, a faixa de matéria que vemos na Via Láctea vindo das Nuvens de Magalhães.
Os anéis em galáxias de anéis polares, como em NGC 4650A, uma galáxia S0 com anel polar.
As faixas de poeira em algumas galáxias elípticas, como a NGC 5128.
Modelo hierárquico de fusões
É o modelo mais aceito hoje. As estruturas menores se
formam primeiro, e depois fusionam para formar as
estruturas maiores, “de baixo pra cima”.
Formação de Galáxias
Os modelos computacionais mostram que colisões entre
galáxias espirais tendem a resultar em galáxias elípticas.
Assim indicando que colisões em que se resultam em forma
de espiral provavelmente não passaram por colisão.
Formação de Galáxias
Buracos Negros
Binários
Nas fusões de grandes
galáxias há a formação
de um Buraco Negro
Supermaciço Binário
Buracos Negros
Buracos Negros
Binários
Quando chegam muito
perto, se orbitam
emitindo ondas
gravitacionais, assim
espiralando ainda
mais para o centro de
massa.
Buracos Negros
Buracos Negros Binários
Ao fim, os dois se fundem resultando em um Buraco
Negro ainda maior. Há hipóteses que os Buracos
Negros centrais de galáxias gigantes se formaram assim.
Buracos Negros
As galáxias não se distribuem aleatoriamente ao longo
do universo, elas tendem a existir em aglomerados
galácticos. As galáxias nesses aglomerados se
mantêm unidas pela gravitação e matéria escura.
Distribuição das Galáxias
A Via Láctea e a galáxia Andrômeda (M31) fazem parte
de um grupo chamado Grupo Local, que contêm entre
35 e 50 galáxias.
Distribuição das Galáxias
O Grupo Local, é onde está localizada nossa galáxia. O
centro gravitacional se localiza entre a Via Láctea e
Andrômeda. As galáxias do Grupo local cobrem uns 10
milhões de anos-luz de diâmetro e tem aparência
binária.
Distribuição das Galáxias
Distribuição das Galáxias
● Aglomerados pobres: contêm menos de mil galáxias.
● Aglomerados ricos: contêm mil ou mais galáxias. O
aglomerado de Virgo é um Aglomerado Rico e Irregular.
● Seu centro fica a 16 Mpc da Terra, e tem um diâmetro de ~3 Mpc.
● É composto por:
● 250 galáxias grandes, entre eles três elípticas gigantes perto
do centro, cada uma do tamanho do Grupo Local;
● E mais de 2000 pequenas galáxias.
http://apod.nasa.gov/apod/ap110422.html
Aglomerado de galáxias de Virgo
O superaglomerado de Virgem também é um exemplo
de aglomerado rico, com mais de 2,5 mil galáxias.
Distribuição das Galáxias
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Earth's_Location_in_the_Universe_SMALLER_(JPEG).jpg
Os astrônomos Margaret Geller e Emilio E. Falco
descobriram que as galáxias e aglomerados galácticos
não se distribuem de maneira aleatória, mas se agrupam
em paredes (longos filamentos) entremeados “vazios”, o que
faz com que o universo se assemelhe a uma teia de
aranha.
Distribuição das Galáxias
Lei de Hubble
Hubble descobriu que a velocidade de afastamento
das galáxias distantes é proporcional à distância até
elas.
Se a velocidade de afastamento das galáxias é
proporcional à distância delas até nós, então estamos
no centro da expansão?
Lei de Hubble
Estaria a Terra no centro do Universo?
Não! O Universo se expandindo uniformemente, sendo homogêneo e isotrópico, faz com que qualquer ponto veja os outros pontos se afastando com velocidades proporcionais às suas distâncias.
Desse modo, qualquer ponto se “sente” o centro do Universo.
Lei de Hubble
A Lei de Hubble, além de ajudar a provar a expansão
do Universo, também fornece um método para
medir distâncias até uma galáxia.
Como a luz de galáxias distantes leva tempo para
chegar até nós, os objetos que observamos com
redshifts altos são como eles eram no passado, ou
seja, quando o Universo tinha uma idade menor.
Lei de Hubble
Assim, o redshift funciona como uma medida para a idade e o tamanho do Universo na época em que a luz foi emitida.
Quanto maior o redshift, menor era o tamanho do Universo e mais novo ele era.
Usando o efeito redshift podemos observar a distribuição espacial das galáxias.
Galáxias Ativas
● Existem alguns tipos especiais de galáxias com
características únicas. Chamamos elas de Galáxias
Ativas.
● Elas mostram sinais de atividade violenta em diferentes
faixas espectrais.
Mostram sinais de atividade violenta em várias faixas
espectrais. Essa atividade é causada por seus núcleos
chamados AGNs (Energia dos Núcleos Ativos de
Galáxias).
Galáxias Ativas
Galáxias Ativas
Elas têm uma variedade bastante grande de formas e “cores”,
mas podem ser descritas por um modelo unificado que
afirma que a atividade é devido a um Buraco Negro
Supermaciço no núcleo.
A energia dos AGNs vem da acreção de matéria ao Buraco
Negro central, é a transformação de energia potencial
gravitacional em energia radiativa + energia cinética dos
jatos.
A acreção se dá através de um “disco de acreção”, que se
forma ao redor do buraco negro.
Quasares: Distantes, têm as mais altas luminosidades, que
dominam a luminosidade da galáxia; com os telescópios
mais antigos, não se observava a galáxia, só o núcleo
brilhante; hoje sabemos que são núcleos ativos de galáxias
com alta taxa de acreção; Telescópio Espacial mostrou a
galáxia em torno.
Rádio-galáxias: galáxias ativas muito luminosas em rádio
(jatos de partículas relativísticas); são raras, habitam
galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. : Centaurus A.
Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, cujo espectro
nuclear é semelhante aos dos Quasares, mas menos
luminoso; observa-se a galáxia “hospedeira” com facilidade.
Galáxias Ativas
Objetos BL Lac: galáxias ativas (rádio-galáxias na sua
maioria) observadas ao longo do jato: efeitos de amplificação
relativísticos fazem que o espectro seja dominado pelo
espectro do jato.
LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50%
das galáxias pode ter esta atividade, observação com boa
resolução espectral e espacial é necessária para ver
emissão “não-térmica” do núcleo
Galáxias Ativas
Modelo Unificado para os AGNs
Galáxias Ativas
O toro de poeira:
(concepção artística)
Galáxias Seyfert
São na maioria espirais, compõem poucos % de todas as
galáxias e são frequentemente acompanhadas por outras
galáxias. Elas possuem núcleos brilhantes.
Galáxias Ativas
Galáxias Seyfert Circinus
Tem “starburst” (região de
intensa formação estelar)
em torno do núcleo. Gás
sendo expelido da galáxia
a partir de ventos das
estrelas e possivelmente
do disco de acreção.
Galáxias Ativas
Radio-galáxias
Observadas diretamente,
geralmente têm a aparência de uma
galáxia elíptica grande, mas quando
observadas em rádio, normalmente
apresentam uma estrutura dupla
com dois lóbulos emissores
localizados um em cada lado da
galáxia. Também há presença de
um jato de matéria saindo de uma
fonte central em seu núcleo,
possivelmente de partículas
carregadas se movendo em um
campo magnético.
Galáxias Ativas
Centauro A, localizada na constelação do
Centauro, é uma das radiogaláxias mais
estudadas.
Quasares
Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase
estelar) é um objeto astronômico distante e poderosamente
energético com um núcleo galáctico ativo, de tamanho maior que uma
estrela, porém menor do que o mínimo para ser considerados uma
galáxia. Um único quasar emite entre 100 e 1000 vezes mais luz que
uma galáxia inteira com cem bilhões de estrelas.
Galáxias Ativas
Blazares
O blazar é um corpo celeste que apresenta uma fonte de
energia muito compacta e altamente variável, associada a
um buraco negro supermassivo do centro de uma galáxia
ativa. Mais de 10000 blazares já foram catalogados.
Galáxias Ativas
Galáxia Starbust
Podem gerar 100 ou mais estrelas ao ano, normalmente em
consequência de uma colisão com outra galáxia. Utilizam
todos seus gases e poeira em cerca de 100 milhões de anos,
período curto comparado a duração de bilhões de anos da
maioria das galáxias.
Galáxias Ativas
Observação de órbita completa de estrela (S2) em torno de Sgr A*: BN
com 2x10^6 Msol (Genzel et al. Out. 2002)
Buracos Negros
Imagem do núcleo da Via Láctea observada com satélite
Chandra de raios-X: emissões de energia produzidas por
acreção de matéria ao BN supermassivo.
Buracos Negros
Resultado de
observações com
o Telescópio
Espacial Hubble:
o
sBNs
supermassivos é
proporcional à
massa do bojo
da galáxia
Buracos Negros
Como pode ocorrer
o crescimento do
bojo junto com o
do BN:
Época da formação dos BNs supermassivos: junto com
as galáxias, quando o Universo tinha uns 2 bilhões de anos
de idade. Quasares (observados muito longe, e portanto no
passado) são os BN supermassivos em formação: grandes
quantidades de energia emitida pela captura de matéria
pelo BN.
Buracos Negros
Quando uma estrela chegar a uma
distância menor do que o raio de maré
rT será destruída, sendo parte da
matéria capturada formando um disco
ou anel que fica orbitando o BN até ser
engolida por ele.
Para a densidade típica de estrelas no
centro das galáxias, frequência destes
eventos é de 1 a cada 10.000 anos.
Buracos Negros
Consequências de um BN no centro de uma galáxia
Observação:
Não dá para resolver disco
de acreção espacialmente,
mas no espaço de
velocidades: Perfil da linha
de emissão Há do H largo e
de duplo pico.
Interpretação:
Disco de gás girando a alta
velocidade (~10000 km/s)
Buracos Negros
Buracos Negros
• Implicações para o Universo:
No futuro as estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de
energia, o Universo vai se tornar um lugar frio e escuro,
onde as últimas estruturas que vão sobreviver serão os BNs
supermassivos....
Buracos Negros
• Quasares, Radio Galáxias, Seyfert e Galáxias Ativas em
geral: fase na vida de uma Galáxia, em que um BN central
está recebendo matéria;
• Atividade mais intensa, maior taxa de acreção de matéria;
• BNs supermassivos presentes em toda as galáxias,
crescendo junto com elas; na maior parte do tempo estão
quietos, pois estão sem “combustível”;
• Combustível pode ser: matéria que flui para dentro de
alguma forma, por exemplo interações entre galáxias; uma
estrela que passa perto do BN; gás que “escorre” para o
centro ao longo de braços espirais, dando origem a um disco
de acreção;
Conclusão
Referências
[1] http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/extragal/Cap1.pdf, acessado em 28/07/2015. [2] “Ensino à Distância Cosmologia: Da origem ao fim do universo 2015”, Módulo 2, conhecendo o universo em que vivemos; ed DAED. [3] http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/Astro.html, acessado em 28/07/2015 [4] http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/FIS02207/gal_ativas.PDF, acessado em 06/08/2015 [5] http://astro.if.ufrgs.br/galax/galax.htm, acessado em 06/08/2015.