AGA 210 Introdução à Astronomia Lista de Exercícios 05 e 06

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1 AGA 210 Introdução à Astronomia Lista de Exercícios 05 e 06 Questão 01: O que são estrelas de população I e população II? Qual a origem deste tipo de classificação? Cite os ambientes galácticos onde cada população é tipicamente encontrada. Estrelas de população I: são estrelas jovens, azuladas e ricas em metais. Estrelas de população II: são estrelas mais velhas, avermelhadas e pobres em metais. A origem do nome está relacionada com a época de formação da Galáxia. As estrelas de população II foram formadas na primeira fase de colapso da nuvem protogalactica. As de população I foram formadas depois, quando o disco foi formado, portanto, as estrelas de população II são encontradas tipicamente no halo e no bojo galáctico, além de se encontrarem nas galáxias elípticas (componente esferoidal), enquanto as de população I são encontradas no disco de galáxias espirais. Questão 02: O que são as regiões HII e qual o mecanismo de formação destes objetos? Em qual lugar elas podem ser encontradas na Galáxia? São regiões de gás de hidrogênio ionizado. O mecanismo de formação está associado à ionização do gás por uma estrela muito energética, de tipo O ou B, próxima a região do gás. Questão 03: Onde ocorre a formação de estrelas nas galáxias atualmente? A formação estelar ocorre no disco galáctico, em especial na região que contem maior concentração de gás e poeira, e nos braços espirais de galáxias espirais. Questão 04: Quais as dificuldades existentes ao observar astros localizados atrás de regiões onde há poeira interestelar? São duas: o avermelhamento e a extinção. Os grãos de poeira existentes na poeira interestelar absorvem a luz incidente, e faz isso preferencialmente para os comprimentos de onda menores, o que torna a luz dos astros mais avermelhada e também atenuada (extinção).

2 Questão 05: Qual a diferença estrutural entre as galáxias espirais Sa e Sc? As galáxias Sa possuem um bojo central muito grande e brilhante, além de ter os braços espirais bem enrolados e suaves. As galáxias Sc possuem um bojo menor, menos brilhante e têm braços espirais que são mais abertos e espalhados do que os das Sa's. Questão 06: Baseado em quais estudos a astronomia moderna mostrou que o Universo está em expansão acelerada? Pela Lei de Hubble percebe-se que existe uma correlação proporcional, linear, entre as distâncias de galáxias e a velocidade de recessão. Infere-se daí que o Universo está em expansão. A questão de o Universo estar ou não acelerado foi deduzida a partir de um experimento com Supernovas de tipo 1 (SN-Ia). Em princípio, medidas de distância de objetos que se encontram muito afastados, como o caso das SN, poderiam nos indicar se a sua relação com o brilho é compatível com um Universo desacelerado ou acelerado, já que as distâncias em um Universo em expansão desacelerada são menores do que se o Universo estiver acelerando com velocidade constante. Se o Universo estiver em expansão acelerada, supernovas distantes parecerão menos luminosas do que pareceriam se a expansão do Universo estiver desacelerando. Este experimento foi realizado medindo-se o desvio para o vermelho de SN's distantes além de sua luminosidade aparente. A luminosidade intrínseca foi estimada observando-se supernovas próximas cujas distâncias seriam conhecidas, como por exemplo, através da observação de cefeidas nas galáxias onde essas supernovas apareceram. A hipótese de que as SN-Ia formam um conjunto homogêneo é crucial; caso contrário não poderíamos inferir a luminosidade intrínseca das supernovas distantes usando supernovas próximas. Atualmente existem mais de uma centena de supernovas observadas. Os dados de dois grupos que realizam este experimento podem ser observados no Roteiro 24, slide 31. O resultado da análise destes dados leva a conclusão de que, estatisticamente as supernovas distantes são menos brilhantes do que se esperaria em um Universo expandindo-se, por exemplo, com velocidade constante. Este resultado é compatível então com uma expansão acelerada do Universo.

3 Questão 07: Se o Universo continuar evoluindo da mesma maneira como é hoje, haverá um dia em que olharemos para o céu e não encontraremos outras galáxias além da nossa. Você concorda com essa previsão? Explique o porquê. Se a expansão continuar acelerada, a afirmação seria verdadeira. A ideia é a de que daqui a exatos 22,8 bilhões de anos, o Universo estará tão acelerado e disperso que os átomos que formam planetas e galáxias começarão a se desintegrar. Pq? Segundo um recente estudo publicado em 24/11 / ! com a participação do brasileiro Marcelo Disconzi ( ) essa expansão, tende a ficar cada vez mais veloz com o passar do tempo, em virtude da energia emitida por corpos celestes - que aumentam, assim, a viscosidade do Universo. A combinação de distribuição de energia e aumento da viscosidade produzirá uma pressão negativa. Na relatividade geral, o efeito de uma pressão negativa é gerar uma força que se opõe à força gravitacional. Dessa forma, as galáxias tendem a se separar, e os planetas ficarão mais e mais distantes uns dos outros. "Esse comportamento incomum é o Big Rip, produzido por uma taxa de expansão infinita em um tempo finito", diz um dos autores do artigo... Questão 08: O que é a região conhecida como horizonte de eventos que envolve um buraco negro? Trata-se de uma região próxima à singularidade cuja força gravitacional é tão forte que não permite que nada escape dela, nem mesmo a luz. Em outras palavras, nesta região próxima ao buraco negro, o espaço está tão distorcido que não existe nenhum caminho que possa levar qualquer informação para fora. O limite desta região é definido quando a velocidade de escape do buraco negro é maior que a velocidade da luz. Questão 09: Que tipo de energia é responsável pela luminosidade de galáxias ativas? O que aciona um núcleo ativo de galáxias?

4 A energia adicional à térmica - produzida por estrelas, poeira e o gás, pode estar associada ao mecanismo de emissão Syncroton, que aparece quando um eletron relativístico espirala em campo magnético. Neste caso podemos observar que esta emissão vem de uma região extensa. É o caso dos lóbulos de radiogaláxias. Pode também pode estar associada ao material no disco de acresção no entorno de um buraco negro, que ao cair no disco de acresção transforma a energia potencial gravitacional da matéria em luminosidade. Este é um processo muito mais eficiente do que as reações nucleares de transformação do H em He. Questão 10: Explique sucintamente o método de H. Shapley ( ) para a determinação da forma da Via Láctea. O que faltou Shapley considerar para que este método fornecesse a forma correta da Galáxia? Explique como essa consideração alteraria a concepção do formato da Galáxia. Shapley, estudando a distribuição dos aglomerados globulares, percebeu que os mesmos se encontravam bem distribuídos em torno de um centro. Com esta distribuição, ele pode determinar a distância do Sol ao centro da Via Láctea, e também a forma da Via Láctea. No entanto, a precisão do seu resultado foi prejudicada por ele desconher a extinção estelar ou seja, a absorção devido a poeira. Dessa forma, as estimativas da distância eram maiores do que de fato são e por este motivo ele obtem um valor de tamanho para a Via Láctea maior do que sabemos hoje ter. A Galáxia é um pouco menor, da ordem de 30 kpc ao invés de 100 kpc, distância determinada por ele. Questão 11: Quais seriam os comprimentos de onda mais adequados para se estudar a estrutura do disco da nossa galáxia? Justifique. Devido à grande quantidade de poeira na linha de visada, os melhores comprimentos de onda para se estudar a estrutura dos braços são os maiores do que a dimensão dos grãos de poeira, já que, para que a radiação consiga atravessar as nuvens de poeira e gás os comprimentos de onda devem ser maiores que o tamanho dos átomos ou moléculas. Este é o caso do comprimento de onda das radiações rádio e infravermelho.

5 Questão 12: Faça um esboço da nossa Galá xia, indicando as principais estruturas. Cite características de cada estrutura. algumas A nossa Galáxia é uma espiral barrada do tipo (SBbc), ou seja, possui barra e seus braços são bastante desenrolados. Seus principais componentes são: Bojo: região central da Galáxia e contêm o núcleo. É constituído por estrelas de população II, velha. Disco: É a componente mais luminosa, onde se encontra a maioria das estrelas de população I. Halo: É a região que envolve toda a Galáxia, mais massiva e menos luminosa. É constituída de estrelas de população II (em sua maioria, em aglomerado globulares). Braços: estrutura formada no disco devido a ondas de densidade, geradas pela órbita das estrelas no disco. Barra: estrutura localizada no disco, anexa ao bojo, de onde originam-se os braços. Questão 13: No início do século passado houve um intenso debate quanto a natureza das nebulosas espirais. Enquanto alguns argumentavam que essas nebulosas faziam parte de nossa Galáxia, outros defendiam a idéia de elas se tratavam de universos ilhas. Como Edwin Hubble resolveu esta questão? Ele identificou uma estrela variável do tipo Cefeida na Nebulosa de Andrômeda e utilizando a Relação Período-Luminosidade estima a distância de Andrômeda aplicando o seguinte raciocínio: obtem o período observado da Cefeida que ele identifica em Andrômeda, e obtem a magnitude absoluta via Relação PL. Mede a

6 magnitude aparente e então aplica a conhecida fórmula do Módulo de Distância (m-m = 5logd+5). A distância obtida por este método era muito grande, indicando que um objeto a esta distância não poderia pertencer a Via-Láctea, pois seria instavel. A conclusão foi então que a Nebulosa de Andrômeda estava fora da Galáxia e que esta se encontrava muito além da Via Láctea, e portanto se tratava de uma galáxia. Questão 14: Faça um esquema ilustrativo da classifição morfológica de galáxias feito originalmente por Hubble. Cite algumas propriedades que variam ao longo da sequência de No Sistema de Classificação de Hubble estão representados os seguintes tipos de galáxias: E-So-S-Irr. Cada uma destas clasees possuem as seguintes características: a) Elípticas Achatamento das mais redondas - Eo até as mais achatadas-e7: são galáxias sem subestruturas aparentes, com distribuição contínua de luminosidade. b) Possuem pouco gás e poeira. c) População estelar velha, de população II, portanto pobres em metais. Aparecem na 1a fase do Colapso Monolítico, se a transformação do gás em estrelas foi eficiente.

7 d) Do ponto de vista cinemático, têm preponderantemente dispersão de velocidades. a) Espirais: formadas por pelo menos três grandes estruturas (bojo, halo, disco), e em alguns casos também por uma barra ). A relação entre a dimensão do bojo/disco decresce ao longo da SH e a abertura dos braços aumenta nesta mesma direção. b) A contribuição do gás e poeira aumenta em relação as E. c) Apresenta população estelar jovem ou de tipo I no disco, e consequentemente têm alta metalicidade. São formadas na 2a fase do Colapso Monolítico. No bojo a população é de estrelas velhas, de tipo II, e as estrelas são formadas, em princípio, na 1a fase do Colapso Monolítico, e o disco, na fase posterior. d) O disco é regido por rotação, enquanto o bojo tem preponderantemente dispesão de velocidades. a) Lenticulares: possuem um bojo enorme, disco desprovido de braços e sem nenhuma outra estrutura aparente. b) Possuem pouco gás. c) São vermelhas e, portanto, população velha, metálica, e não apresentam formação estelar, sendo facilmente confundidas com elípticas. d) Do ponto de vista cinemático, o bojo têm preponderantemente dispersão de velocidade. a) Irregulares: são galáxias que foram incluídas posteriormente ao Sistema de classificação original. São objetos que não possuem forma bem definida e se posicionam na porção final do SCH. b) Possuem muito gás (25% Mtotal da galáxia) c) População estelar jovem, rica em metais d) Nenhum padrão de velocidade organizada

8 Questão 15: Discuta brevemente como pode ser explicada a presença de braços nas galáxias espirais (ver Roteiro 20, slides 24 a 36) Os braços espirais são produzidos por ondas de densidade espirais, ou seja, por perturbações geradas como resultado de forças gravitacionais de cisalhamento de estrelas e gás em um disco em rotação. Quando o gás atravessa estas perturbações ele é comprimido, gerando novas estrelas nestes locais e tornando visível a forma espiral mapeada pelas estrelas que acenderam. A perturbação, que viaja a uma velocidade diferente do material do disco, (estrelas, gás e poeira) continua a se propagar no disco e, por onde passa, se houver gás disponível, vai formar novas estrelas. Desta forma, os braços nunca são formados pelas mesmas estrelas. Não são produzidos pela rotação diferencial do material do disco, o que implicaria em braços materiais. 16: Que elementos existiam no universo primordial e como foram formados os demais elementos no universo? No Universo primordial existia o Hidrogênio, Hélio e traços de Lítio. No interior de estrelas de baixa massa, como o Sol, foram formados elementos leves como o He e C. Os elementos do C até o Ferro foram formados dentro das estrelas de alta massa, com M > 8 massas solares. Os demais elementos, após o Fe na tabela periodica, foram formados em explosões de supernovas. Questão 17: A figura abaixo representa diversas Curvas de Rotação de galáxias espirais. Que tipo de informação relevante sobre a constituição de matéria no Universo pode-se obter do comportamento destas curvas comparado com o previsto pela 3a Lei de kepler?

9 A diferença entre o comportamento observado e o previsto pela 3a Lei de Kepler é de que como a velocidade orbital é constante (ao invés de diminuir) a partir de um raio onde não se mede mais a velocidade das estrelas do bojo, a massa aumenta com a distância ao centro das galáxias, implicando em que a massa tem natureza invisível, ou seja, Matéria Escura. (roteiro 19, slides 42 e 43) Questão 18: O que é a radiação cósmica de fundo de microondas? O que ela representa? A radiação cósmica de fundo é uma radiação eletromagnética que permeia o espaço em todas as direções, portanto, isotrópica, e cuja temperatura é de 2,7K. Foi prevista no Modelo do Big Bang, em uma Era de evolução do Universo denominada Recombinação, onde os fótons viajam livres pelo Universo, que em expansão, faz com que percam energia. Após viajarem 13,7 bilhões de anos, nós, hoje, conseguimos medi-la endossando, portanto, o Modelo do Big Bang. É uma das evidências observacionais mais contundentes de que de fato o BB pode ter ocorrido. Ela representa o vestígio residual ou a energia fóssil resultante da época em que o Universo era quente e denso, a 380 mil anos após o evento do Big Bang. Questão 19: Explique o que é o Princípio Cosmológico. O Princípio Cosmológico refere-se à hipótese de que o Universo é homogêneo e isotrópico. Homogêneo significa que o Universo parece ser o mesmo para observadores em todas as localizações e que não existe localização especial ou privilegiada. Isotrópico significa que para um observador em qualquer localização o Universo parece ser o mesmo em todas as direções e vai observar os mesmos padrões. Questão 20: Que as evidências observacionais nos levam a crer que o Big Bang ocorreu? 1a A expansão do Universo. 2a Radiação cósmica de fundo de 2,7 K. 3a Abundância de elementos leves.

10 Questão 21: O modelo do Big Bang permite prever 3 possíveis destinos referente a expansão. Quais são? # Modelo Plano Se expande indefinidamente com vterminal tendendo a um valor nulo pois é como se ocorresse um equilíbrio entre a Ep = Ec Não tem curvatura. (análogo a plano) Este modelo parece ser o mais realista! # Modelo Aberto Atração gravitacional é pequena para impedir a expansão. pois é como se a Ep < Ec Então, a expansão continua indefinidamente, com vterminal tendendo a um valor não nulo. A curvatura é negativa. (análogo a uma sela de cavalo) # Modelo Fechado Atração gravitacional é grande e impede a expansão. pois é como se a Ep > Ec Ocorre então uma contração, e reinicia-se a uma nova expansão. A expansão é finita e com curvatura positiva. (análogo a uma esfera) Questão 22: O que significa a singularidade? Após este evento o Universo passou por várias Eras. Quais são e quais os eventos a elas associadas? Qual a grandeza física que muda durante a história de evolução do Universo e que é responsável pela caracterização das Eras? 1- Singularidade: é uma previsão matemática que resulta das equações da Relatividade Geral onde condições físicas extremas tais como altíssimas densidade e temperatura seriam infinitas. O Universo teria se originado nesta singularidade que seria responsável pelo início do espaço-tempo, matéria e anti-matéria, que ocorreu a uns 13,7 bilhões de anos. Desde então o Universo estaria se expandindo, criando matéria, radiação e, o próprio espaço-tempo. 2- Eras: ver Roteiro 24, slide A grandeza física associada a evolução do Universo é a temperatura, que diminui durante a expansão do Universo, e permite que vários eventos ocorram, desencadeando diferentes Eras.

11 Questão 23: Explique o que significa Densidade Crítica. Densidade crítica: densidade de massa necessária para tornar nulo o termo de curvatura na equação de Friedmann, correspondendo ao modelo plano. (ver Roteiro 23, slide 34) Questão 24: Qual a interpretação do Efeito Doppler no contexto da Cosmologia? O efeito Doppler seria um efeito gerado como consequencia da expansão do Universo. Deslocamento p/ vermelho (redshift - z) se deve a expansão do Universo que modifica sistematicamente o comprimento de onda da radiação enquanto esta se movimenta pelo espaço. Ver Roteiro 23, slide 54 Questão 25: A Cosmologia moderna se dedica a determinar qual modelo de Universo disponível parece ser o mais realista. Explique quais são e qual parece ser o mais promissor. Modelo Plano, Aberto e Fechado, ver detalhes em Roteiro 23, slide 37 Questão 26: A partir de que parâmetros cosmológicos observáveis podem ser testados os modelos de Universo? A partir da Constante de Hubble (Ho), do Desvio Espectral (Vrecessão), e principalmente dos parâmetros de densidade (Ω), e de desaceleração (q) - (positiva- se acelerado e negativa se desacelerado). Ver detalhes no Roteiro 23, slide 31