A Galáxia. Curso de Extensão Universitária. Introdução à Astronomia e Astrofísica. 19 a 23 de julho de Vera Jatenco - IAG/USP

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Fábio Philippi Chagas
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1 A Galáxia Curso de Extensão Universitária Introdução à Astronomia e Astrofísica 19 a 23 de julho de 2010 Vera Jatenco - IAG/USP

2 Conteúdo Histórico da Galáxia Distâncias dentro da Galáxia Componentes da Galáxia A Galáxia em diferentes comprimentos de onda Braços espirais Centro da Galáxia Propriedades da Galáxia Curva de rotação da Galáxia Matéria Escura Persistência dos braços espirais

3 Via Láctea = caminho de leite (lactea = leite em latim). Histórico da Galáxia Do grego, Galaxias Kyklos = círculo leitoso (γαλαξίας =galaxias = leite). Segundo a mitologia grega, leite derramado pela deusa Hera. A olho nu, faixa de aparência leitosa que atravessa o céu.

Histórico da Galáxia Em 1610, Galileu (1564-1642) descobre

4 Histórico da Galáxia Em 1610, Galileu ( ) descobre que a Via Láctea é feita de "um vasto número de estrelas fracas".

Histórico da Galáxia mais estrelas menos estrelas Em 1750, Thomas Wright (1711-1786) sugere que

5 Histórico da Galáxia mais estrelas menos estrelas Em 1750, Thomas Wright ( ) sugere que a Via Láctea seja uma casca esférica de estrelas. Universos ilhas de Immanuel Kant ( ).

6 Histórico da Galáxia ~300 milhões de estrelas 8 mil anos luz (2,5 kpc) Sol Em 1785, William Herschel ( ) faz uma contagem de estrelas supondo que a luminosidade é a mesma para todas pode assim calcular suas distâncias. Imagina a Via Láctea como um disco, com o Sol próximo do centro. Esta visão da Via Láctea predomina até o início do Séc. XX.

Histórico da Galáxia Se contarmos o número de estrelas em direções opostas, o número é mais ou menos o mesmo. A conclusão lógica é de que estaríamos no centro da distribuição das estrelas.

7 Histórico da Galáxia Se contarmos o número de estrelas em direções opostas, o número é mais ou menos o mesmo. A conclusão lógica é de que estaríamos no centro da distribuição das estrelas. Mas falta um elemento neste raciocínio... Sol A poeira! Nós não podemos ver claramente além de ~2 kpc. Luz visível é absorvida pela poeira. O papel da poeira só fica bem estabelecido no início da década de Típica partícula de poeira interestelar.

8 Histórico da Galáxia A questão do tamanho da Galáxia e a natureza das nebulosas (principalmente as espirais) é central para a compreensão da Via Láctea.

Histórico da Galáxia Grande Debate de 1920: Harlow Shapley (1885-1972) Heber D.

9 Histórico da Galáxia Grande Debate de 1920: Harlow Shapley ( ) Heber D. Curtis ( ) Via Láctea muito grande Sol a ~ 20 kpc do centro Nebulosas fazem parte da galáxia Via Láctea pequena Sol está no centro Nebulosas são universos ilhas

10 Histórico da Galáxia No início do Séc. XX, Harlow Shapley nota que o Sol não está no centro da distribuição espacial de aglomerados globulares. Conclui que o Sol não está no centro da Via Láctea.

Distâncias dentro da Galáxia Em 1926, a natureza da Galáxia fica estabelecida definitivamente quando Edwin Hubble (1889-1953) mostra que as nebulosas espirais

11 Distâncias dentro da Galáxia Em 1926, a natureza da Galáxia fica estabelecida definitivamente quando Edwin Hubble ( ) mostra que as nebulosas espirais estão muito além da Via Láctea. Hubble utilizou a relação Período-Luminosidade das Cefeidas (Henrietta Leavitt ( )) como indicador de distância. m M = 5 5 log r.

12 Componentes da Galáxia Disco Estrelas de população I (jovens, ricas em metais) Aglomerados abertos Regiões HII Nuvens moleculares Bojo Estrelas de população II (velhas, pobres em metais) Halo Aglomerados globulares

13 A Galáxia Disco Bojo Nossa Galáxia vista de dentro (isto é, da Terra). Note a faixa de poeira no plano do disco. Visível imagem de Axel Mellinger

14 A Galáxia em diferentes comprimentos de onda 360 graus Infravermelho próximo: estrelas frias Visível: estrelas próximas Infravermelho médio e distante: poeira e moléculas

15 Braços espirais Braços espirais no disco Galáctico. São delineados por estrelas jovens, regiões HII, nuvens moleculares e poeira. Mal definidos pelas estrelas velhas. Muito mais fácil identificar em outras galáxias.

16 Obscurecimento pela poeira No visível, é impossível observar o outro lado da Galáxia. Isto é feito no infravermelho e em rádio. Regiões HII também traçam os braços.

17 Centro da Galáxia Constelações e estrelas mais brilhantes na região do centro galáctico.

18 Centro da Galáxia Imagem no visível. Vários aglomerados abertos e globulares estão marcados. Janela de Baade: região com pouca poeira por onde observamos melhor o bojo. A luz difusa vem de muitos milhões de estrelas.

19 Centro da Galáxia Infravermelho, campo de 50. Infravermelho, com destaque ao centro Galáctico. Infravermelho, onde vemos centenas de estrelas próximas de Sagitário A*. Com infravermelho podemos observar através da poeira.

20 Centro da Galáxia Movimento de estrelas próximas do centro da Galáxia. Massa no interior de ~130 U.A. = 3, M. Buraco Negro.

21 Propriedades da Galáxia Bojo Disco Halo Diâmetro 2 kpc ~ 40 kpc ~200 kpc Massa total M M M Luminosidade L L 1, L Pop. estelar população II população I população II O disco é a componente mais luminosa. Halo O halo é a de maior massa e o menos luminoso. Bojo Disco

22 Curva de rotação Medimos a velocidade para corpos em várias distâncias do centro de rotação. Exemplo: Sistema Solar. velocidade de rotação ou velocidade orbital

23 Curva de rotação galáctica esperada Velocidade Raio Orbital

24 Curva de rotação da Galáxia Rotação Diferencial Até ~ 15kpc: regiões HII, estrelas O e B (visível, IV, rádio) Além de ~ 15 kpc: HI (rádio - linha de 21 cm) maior energia menor energia

Curva de rotação da Galáxia O Sol se move com cerca de 200--220 km/s.

25 Curva de rotação da Galáxia O Sol se move com cerca de km/s. O Sol está a cerca de 7,5--8,0 kpc do centro da Galáxia. Logo, uma volta do Sol leva cerca de milhões de anos. No último ano Galáctico a Terra estava no Triássico.

26 Curva de rotação da Galáxia velocidade v r v = cte raio O que segura as estrelas, o gás, a poeira em órbita é a massa da Galáxia contida dentro da distância r. Se não há mais massa, a velocidade orbital deve diminuir com a distância, como no exemplo do Sistema Solar.

27 Curva de rotação da Galáxia velocidade v r v = cte raio A velocidade orbital constante a partir de um raio r implica que a massa aumenta com a distância ao centro da Galáxia: 3ra. Lei de Kepler: Massa dentro da órbita v M r raio da órbita

28 Curva de rotação da Galáxia velocidade v r v = cte massa raio raio Mas praticamente não observamos mais estrelas além de ~ 16 kpc, e apenas pouco gás até ~ 30 kpc. Logo, existe massa mas de natureza invisível. Matéria Escura. Sol

29 Halo de Matéria Escura O que pode ser a matéria escura? Gás (atômico ou molecular) que emite tão pouca radiação que não podemos vê-lo? Talvez as leis da dinâmica dos corpos (leis de Newton) não sejam válidas? Material exótico que interage apenas através da gravitação? Créditos: Jose Wudka

30 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 1 a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços. velocidade v R v = cte v v raio

31 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 1 a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços. velocidade v r v = cte v v raio

32 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 1 a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços. velocidade v r raio v = cte Os braços se enrolariam sempre! Não observaríamos os braços espirais. v v

33 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 2 a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. Teoria de ondas de densidade desenvolvida por Chia C. Lin e Frank H. Shu nos anos Origem da compressão: congestionamento de órbitas. Órbitas ligeiramente elípticas, com eixo rodado por um pequeno ângulo.

34 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 2 a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. Congestionamento no disco. Os braços espirais são ondas que se propagam pelo disco.

A onda espiral se propaga com velocidade menor do que a das estrelas e nuvens.

35 Persistência dos braços espirais Rotação dos braços espirais. 2 a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. A onda espiral se propaga com velocidade menor do que a das estrelas e nuvens. As nuvens são comprimidas quando atravessam a onda Formação estelar. Estrelas massivas vivem pouco: estão próximas da onda.

36 Persistência dos braços espirais Braços são produzidos por uma perturbação no disco. Barras também são produzidas por uma perturbação. As estrelas, gás e poeira têm rotação diferencial. O padrão espiral (e barras) giram como uma velocidade angular constante. Sol

37 Fim

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Natureza da Galáxia Principais componentes Meio interestelar: nuvens, poeira, extinção, HI Braços espirais Populações Centro da Galáxia: buraco negro Via Láctea (I) Vera Jatenco IAG/USP http://www.astro.iag.usp.br/~carciofi/