AULA 11 VIA LÁCTEA. Daniele Benicio. Daniele Benicio

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1 AULA 11 VIA LÁCTEA Daniele Benicio Daniele Benicio

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3 Via-Íris/Via Láctea Multionda Cada faixa corresponde à imagem da Via Láctea observada numa faixa diferente de comprimento de onda: (1) Ondas de rádio, de 408 MHz, provenientes de elétrons energéticos, que se movem no campo magnético interestelar; (2) Ondas de rádio, de 1,4 GHz, emitidas pelo hidrogênio atômico; (3) Ondas de rádio, de 2,5 GHz, de elétrons energéticos e gás quente, ionizado; (4) Ondas de rádio emitidas pelo monóxido de carbono, e indicativas da presença de hidrogênio molecular; (5) Infravermelho emitido pela poeira interestelar, aquecida pela luz das estrelas; (6) Infravermelho de comprimento de onda médio emitido por moléculas orgânicas complexas; (7) Infravermelho próximo -- do visível -- emitido por estrelas frias e velhas da Via Láctea; (8) Óptico ou visível, emitido principalmente por estrelas e nuvens de gás ionizado; (9) Raios X de baixa energia emitidos por gás quente; e, finalmente, (10)Raios gama, altamente energéticos, emitidos pelas colisões de partículas de grande energia -- os chamados "raios cósmicos ;

4 Uma galáxia é um grande sistema, gravitacionalmente ligado, que consiste de estrelas, remanescentes de estrelas (objetos compactos), um meio interestelar de gás e poeira e um importante componente apelidado de matéria escura. Arp 274 é um conjunto de 3 galáxias. Na imagem parece que elas vão se chocar, mas elas estão separadas por distâncias gigantescas. [Hubble, NASA]

5 Definição A palavra galáxia deriva do grego galaxias, literalmente leitoso, numa referência à nossa galáxia, a Via Láctea.

6 Via Láctea A galáxia da Via Láctea (Milkyway) possui uma massa de 10¹² massas solares e um diâmetro da ordem de 100 mil anos-luz e estima-se que possua mais de 200 bilhões de estrelas. A parte mais brilhante da Galáxia fica na direção da constelação de Sagitário, sendo melhor observável no Hemisfério Sul durante as noites de inverno, pois é nesse momento que se pode contemplar a porção central da galáxia.

7 Via Láctea Originalmente: Uma faixa de luz difusa no céu. Na mitologia grega leite materna da deusa Hera jorrado no céu. Galileu descobriu em 1610 que ela consiste de estrelas. Hoje é a nossa Galáxia (com G maiúsculo) e o Sistema Solar faz parte.

8 História do descobrimento da Via Láctea Os gregos cunharam o termo "galaxies kuklos", ou "círculo leitoso", como forma de descrever a Via Láctea. Ela era uma tênue faixa de luz, mas não se fazia ideia do que ela era composta. Quando Galileu estudou a Via Láctea com o primeiro telescópio, determinou que ela era composta de numerosas estrelas. [ O Mensageiro das Estrelas,1610]. Em 1755, o filósofo prussiano Immanuel Kant já tinha previsto a natureza da Via Láctea e a existência de outras galáxias: Ele deduziu corretamente que a Via Láctea é um grande disco de estrelas, que ele teorizou ter se formado de uma (muito maior) nuvem de gás girando. Ele também sugeriu a possibilidade que outras nebulosas também sejam discos de estrelas de tamanho similar.

9 História do descobrimento da Via Láctea No final do século XVIII, o astrônomo alemão William Herschel ( ), que já era famoso por ter descoberto o planeta Urano, mapeou a Via Láctea e descobriu tratar-se de um sistema achatado. Segundo seu modelo, o Sol ocupava uma posição central na galáxia, mas hoje sabemos que essa conclusão estava errada.

10 História do descobrimento da Via Láctea A primeira estimativa do tamanho da Via Láctea foi feita no início dos éculo XX, pelo astrônomo holandês Jacobus Kapteyn ( ). Em 1922, ele fez suposições mais realistas quanto às magnitudes absolutas e chegou num modelo da Via Láctea similar ao de Herschel, um esferóide achatado com densidade de estrelas diminuindo de acordo com a distância ao centro. Em ambos os modelos, o Sol fica perto do centro, por que ambos não levaram em conta a extinção interestelar, que faz que a distância de vista e comparável em todas as direções no disco, onde fica a poeira. O Universo de Kapteyn, as elipses são superfícies de densidade estelar constante.

11 História do descobrimento da Via Láctea Harlow Shapley ( ), estudando a distribuição de sistemas esféricos de estrelas chamados aglomerados globulares, determinou o verdadeiro tamanho da Via Láctea e a posição periférica do Sol nela. Shapley descobriu que os aglomerados globulares (150 deles), que formam um halo em volta na nossa galáxia, estavam concentrados em uma direção; poucos deles era visto na direção oposta. 1 Parsec = 3, metros

12 História do descobrimento da Via Láctea Ele concluiu que o Sol não está no centro de nossa galáxia. Assumindo que o centro do halo formado pelos cúmulos globulares coincide com o centro de nossa galáxia, ele deduziu que estamos a 30 mil anos-luz do centro da Via Láctea, que está na direção da constelação do Sagitário. Este valor está super estimado, pois estamos a cerca de anos-luz.

13 História do descobrimento da Via Láctea Em 1924, Edwin Hubble usou um grande telescópio (com diâmetro de 100 polegadas) instalado em Mount Wilson, na Califórnia, e descobriu que as nebulosas em espiral tinham estruturas e estrelas, conhecidas como variáveis Cefeídas, semelhantes às da Via Láctea (essas estrelas mudam de brilho regularmente). Hubble usou as curvas de luz das variáveis Cefeídas para medir a distância entre elas e a Terra, e constatou que estavam muito mais longe que os limites conhecidos da Via Láctea. Portanto, essas nebulosas espirais eram de fato outras galáxias localizadas fora da nossa.

14 Galáxias Espirais As galáxias espirais são brilhantes e têm um pronunciado formato de disco, com gases quentes, poeira e estrelas brilhantes exibidos em seus braços espirais. Como as galáxias espirais são brilhantes, respondem pela maioria das galáxias visíveis, mas acredita-se que representem apenas 20% do total de galáxias do universo. A Via Láctea é uma galáxia espiral de grande porte.

15 Galáxias Espirais As galáxias espirais são subdivididas nas categorias Sa, Sb e Sc, de acordo com o grau de desenvolvimento e enrolamento dos braços espirais e com o tamanho do núcleo comparado com o do disco. Espiral normal: forma de disco evidente, com centros brilhantes e braços espirais bem definidos. As galáxias Sa têm grandes bojos nucleares e braços espirais bem curvados; e as Sc têm pequenos bojos e braços espirais curvados apenas ligeiramente. Espiral barrada: um formato de disco evidente, com centro brilhante e alongado e braços espirais bem definidos. As galáxias Sba têm grandes bojos nucleares e braços de espiral bem curvados; e as Sbc têm pequenos aglomerados bojos e braços ligeiramente curvados

16 Galáxias Espirais a núcleo maior, braços pequenos e bem enrolados b núcleo e braços intermediários c núcleo menor, braços grandes e mais abertos

17 Galáxias Espirais Indícios obtidos recentemente apontam que a Via Láctea seja uma galáxia SBc.

18 A olho nu, conseguimos observar três galáxias (vizinhas da Via Láctea). Andrômeda(M31) Grande Nuvem de Magalhães (LMC) Pequena Nuvem de Magalhães NGC292

19 M31 Galáxia de Andrômeda. A galáxia espiral mais próxima da Via Láctea. Estimativas apontam que nela existam mais de 1 trilhão de estrelas. Universidade Federal do ABC

20 Morfologia da Via Láctea O fato de nos encontrarmos no disco dificulta a determinação da estrutura por dois motivos: Motivos geométricos: é difícil determinar a estrutura de um disco, se você esta dentro dele. O disco de poeira: bloqueando nossa vista em direções dentro do disco.

21 Morfologia da Via Láctea É melhor observar no infravermelho, onde a poeira é menos opaca.

22 Morfologia da Via Láctea Disco Galáctico: a maioria das 200 bilhões de estrelas da Via Láctea se localiza nele. O disco se divide nas seguintes partes: Núcleo: o centro do disco. Bojo: a área em torno do núcleo, incluindo as regiões imediatamente acima e abaixo do plano do disco. Braços espirais: São constituídos de gás e poeira, estendem-se do centro para fora. Nosso sistema solar fica localizado em um dos braços de espiral da Via Láctea. Halo: uma região vasta e pouco iluminada que cerca toda a galáxia. Ela é composta de gases quentes e possivelmente de matéria escura.

23 Morfologia da Via Láctea Todos esses componentes orbitam em torno do núcleo e a gravidade os mantêm unidos. Como a gravidade depende de massa, seria possível pensar que a maior parte da massa de uma galáxia fica no disco galáctico ou perto de sua porção central. No entanto, depois de estudar as curvas de rotação da Via Láctea e de outras galáxias, os astrônomos concluíram que a maior parte da massa fica nas porções exteriores da galáxia, como no halo, onde existe pouca luz das estrelas ou pouca luz refletida pelos gases. Estimativas: Massa do disco: 2 a 13% Massa do bojo: 1 a 6% Massa do halo: 81 a 97%

24 Populações Estelares Walter Baade ( ), contemporâneo de Edwin Hubble no observatório de Mount Wilson, estudando a galáxia Andrômeda, notou que podia distinguir entre duas populações estelares. População I: estrelas típicas para a vizinhança solar (estrelas "normais") - Estrelas OB azuis, novas, nebulosas planetárias. Estas também se encontram em aglomerados abertos, no meio interestelar e nos braços espirais de M31. Estrelas de alta metalicidade e frequentemente jovens. População II: Na Via Lactea, as estrelas de alta velocidade (Halo) aglomerados globulares: Gigantes Vermelhas, RR Lyras, sub-anãs; e fora da VL no bojo de M 31, em M 32, e em NGC 205. Estrelas velhas de baixa metalicidade. Atualmente o termo População Estelar é usado também para conjuntos de estrelas com história de formação em comum.

25 Aglomerados Aglomerados abertos: (~2000) na maioria no disco Aglomerados globulares: (~160) na maioria no halo

26 Relação idade-metalicidade Com o tempo, o meio interestelar é enriquecido de elementos pesados por estrelas que morreram (nebulosas planetárias, supernovas). Deste meio enriquecido as novas estrelas se formam. Novas gerações de estrelas são mais ricas em metais que as anteriores. Aglomerados abertos Aglomerados globulares

27 O Disco Galáctico Disco é uma estrutura circular achatada, com diâmetro de pc ( anos-luz) e espessura de ~300 pc, é no disco onde se encontram os braços espirais da Via Láctea. Constituído pela população mais jovem de estrelas (chamada de população 1) de cor azulada, por nuvens de poeira, gás e por aglomerados abertos. As estrelas do disco, têm um movimento de translação em volta do núcleo. Todas as estrelas que observamos no céu noturno, estão localizadas no disco galáctico.

28 O Disco Galáctico O bojo, que contém o núcleo, é uma região esférica de 2000 pc de raio, envolvendo o núcleo, é constituído principalmente por estrelas do tipo população 2 (estrelas velhas). Esta região da galáxia é rica em elementos pesados. Também estão presentes aglomerados globulares. O Sol, localizado em um dos braços espirais, orbita o centro da Galáxia, a uma distância de ~8500 pc. Se pudéssemos ver a nossa Galáxia de cima, provavelmente ela pareceria como a galáxia NGC NGC 2997 Da nossa posição, junto ao Sol, a parte da Galáxia interna ao Sol é vista de perfil, tendo portanto a forma de uma faixa luminosa.

29 O Disco Galáctico Os braços espirais não são muito mais densos que o resto do disco (só um pouquinho), mas são muito mais brilhantes, por causa da formação estelar. Formação dos braços espirais: ondas de densidade ligeiramente elevada se propagando pelo disco, onde o gás é comprimido e ocorre formação estelar, muitas incertezas ainda sobre o origem destas ondas.

30 Núcleo (ou centro) Galáctico A parte mais difícil de observar da Via Láctea é o Centro, escondendo- se atrás de poeira valendo~30 magnitudes de extinção no ótico, na constelação de Sagitário. Melhor observá-lo em comprimentos de ondas mais longos, λ> 1 μm. Observando na banda K, λ~ 2.2 μm, da pra ver um aglomerado denso de estrelas velhas.

31 Centro Galáctico Mais para o interior ainda, nos 2 pc centrais, a densidade parece aumentar mais rápido. Nesta região, as estrelas orbitam algum centro de massa, chamado Sagitário A* (Sgr A*) tão rapidamente que da pra observar o movimento.

32 Centro Galáctico A estrela mais perto do Centro Galáctico, S2, orbita Sgr A* em apenas 15.2 anos, chegando a 120 AU do Centro, orbita só poucas vezes a de Plutão em torno do Sol! Nos 120 AU internos da Galáxia se concentra uma massa de 3.7 mio. MSol

33 Centro Galáctico O que poderia ser aquela concentração de massa? Tem uma fonte misteriosa de radiação infravermelha na região, chamada IRS 16, aparentemente composta de poucas estrelas de alta massa, mas que de longe não explica 3.7 mio. MSol

34 Centro Galáctico Se vê um disco nuclear de gás neutro de alguns 100 pc a 1 kpc do Centro, um pouco inclinado com respeito ao Disco Galáctico. De lá saem filamentos de uns 20 pc seguindo o Campo Magnético Galáctico. Estes indicam um fluxo de material deixando a região central. Um zoom na região central deste disco revela a fonte rádio Sagitário A, lá encontramos um disco molecular >20 mais quente e >150 mais denso que nuvens moleculares no Disco. O Centro Galáctico no rádio

35 Centro Galáctico O que é, então, esta fonte, com raio de no máximo 120 AU, massa de 3.7 mio. MSol, e que emite relativamente pouca radiação? A única explicação que conhecemos para um objeto tão denso e escuro é um Buraco Negro Supermaciço, em contraste aos Buracos Negros Estelares formados na morte de estrelas, de massas bem menores, foram formados por imensas nuvens de gás ou por aglomerados de milhões de estrelas que colapsaram sobre a sua própria gravidade quando o universo ainda era bem mais jovem e denso.

36 Braços espirais Até 1953 não se conhecia a existência de braços espirais na Via Láctea, pois a visualização das espirais era ocultada pela poeira interestelar e dificultada por ser feita do interior da própria galáxia. Até 2008 acreditava-se que possuía 4 braços, mas imagens reveladas pelo telescópio Spitzer revelaram que ela pode não ser exatamente assim.

37 Braços espirais Braço de Perseu Braço de Norma Braço de Centauro (Cruz-Scutum) Carina-Sagittarius Braço de Órion

38 Braços espirais Robert Benjamin da Universidade de Wisconsin-Whitewater sugeriu que a Via Láctea possui apenas dois braços estelares principais: o braço Perseu e o braço Scutum-Centaurus. Os demais braços foram reclassificados como braços menores ou ramificações.

39 Halo Estelar O halo tem uma forma esférica e é constituída por partículas ultra excitadas a alta temperatura, anãs vermelhas, anãs brancas e por aglomerados globulares, que estão em órbita em torno do centro de massa galáctica. O halo não é observável opticamente. As estrelas que formam os aglomerados globulares (de forma esférica) são as mais antigas da galáxia. Supõe-se que sua estrutura seja gigantesca. A sua massa gira entre 5 ou 10 maior do que a massa restante da galáxia. Sua forma, seus componentes e seus limites no espaço intergaláctico são desconhecidos até o início do século XXI, e muitas das afirmações a cerca do halo são especulações científicas.

40 Campo Magnético Galáctico Pela polarização de radiação (ótica e rádio) refletida por grãos de poeira alinhados como Campo Magnético Galáctico, da pra determinalo. No disco, ele segue os braços espirais. Apesar de fraco este campo magnético provavelmente teve um papel importante na formação e na evolução da Via Láctea.

41 Curva de Rotação da Via Láctea As estrelas da Via Láctea, como o Sol, se movimentam em órbitas circulares em torno do Centro Galáctico (e o gás também). A velocidade de rotação de uma estrela na distância r do Centro depende da massa da Galáxia contida no espaço no interior da sua orbita.

42 Halo - Matéria Escura Para além da parte visível do halo galáctico, há uma região muito mais extensa, conhecida como o halo sombrio, halo galáctico, que contém grandes quantidades de matéria escura. 95 % da massa total da Via Láctea!

43 Halo - Matéria Escura A matéria escura não emite luz e não pode ser detectada por telescópios - é uma matéria invisível misteriosa que só pode ser detectada de modo indireto pela força gravitacional que exerce. E que tipo de Matéria Escura Fria? - WIMPs (chorão) ou - MACHOs ( Massive Compact Halo Objects, objetos do halo massivos e compactos, machões): anãs marrons estrelas comuns, mas de baixa luminosidade anãs brancas estrelas de néutrons buracos negros

44 Como detectar os MACHOs? Detecta-se pelo efeito lente (consequência da relatividade geral) Quando um MACHO passa na frente de uma estrela de fundo, a luz da estrela é focada na Terra parecendo mais brilhante por algumas horas do dia. A partir da curva de luz da estrela é possível determinar a massa do MACHO.

45 O Projeto MACHO Observaram 12 milhões de estrelas na Grande Nuvem de Magalhães de 1992 a 1998 com um telescópio no observatório Mt. Stromlo na Australia. Detectaram o que seria uma estimativa do número total de MACHOs na Via Láctea. Determinando as massas destes MACHOs, consegue-se estimar a massa total de MACHOs em nossa Galáxia.

46 Vários MACHOs foram detectados, mas de longe não em número suficiente para explicar a Matéria Escura na Via Láctea. A Matéria Escura consiste na maioria de WIMPs. Os chorões derrotaram os machões!

47 Evolução das galáxias Via Láctea As galáxias não agem sozinhas. A distância que as separa parece imensa, mas os diâmetros das galáxias são igualmente grandes. Comparadas às estrelas, as galáxias ficam relativamente perto uma das outras. Podem interagir e, o mais importante, colidir.

48 Evolução das galáxias Via Láctea Quando as galáxias colidem, elas na verdade se atravessam mutuamente as estrelas que elas contêm não se chocam, devido às imensas distâncias interestelares. Mas as colisões tendem a distorcer a forma de uma galáxia. Antennae Galaxies NGC 4038 e NGC 4039.

49 A Via Láctea e Andrômeda irão colidir frontalmente em 3,75 bilhões de anos, as duas galáxias estão a 2,5 milhões de anos-luz de distância uma da outra. Ambas são galáxias espirais, e ao colidirem, (já em 7 bilhões de anos) elas formarão uma enorme galáxia elíptica. Simulação NASA

50 Choque Via Láctea e Andrômeda As duas galáxias estão se aproximando devido à gravidade que exercem uma sobre a outra. Cientistas acreditam que elas começarão a se fundir dentro de 4 bilhões de anos. E dentro de outros 2 bilhões de anos elas deverão ser uma única entidade. As duas galáxias estão separadas por uma distância de 2,5 milhões de anos-luz, mas estão convergindo a uma velocidade de aproximadamente 400 mil quilômetros por hora. Estrelas individualmente não irão colidir porque o espaço entre elas permanecerá sendo grande. O abalo gravitacional deverá, no entanto, mudar a localização do Sistema Solar. É provável que a fusão provoque uma vigorosa fase de formação de novas estrelas e que nuvens de gás serão abaladas e passem a colidir umas com as outras. É bem possível que a pequena companheira de Andrômeda, a galáxia de Triangulum, ou M33, também entre na "briga".

51 Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea As galáxias não se distribuem aleatoriamente pelo universo tendem a existirem aglomerados galácticos. As galáxias nesses aglomerados se mantêm unidas pela gravitação e influenciam umas às outras. Aglomerados pobres-contêm menos de mil galáxias. A Via Láctea e a galáxia de Andrômeda (M31) são parte do Grupo Local, que contém algo entre 35 e 50 galáxias.

52 Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea O grupo Local é o grupo de galáxias que inclui nossa Galáxia, a Via Láctea. O grupo tem o centro gravitacional localizado entre a Via Láctea e a galáxia de Andrômeda. As galáxias do Grupo Local cobrem uns 10 milhões de anosluz de diâmetro e têm uma aparência binária. A massa total do grupo é estimada em 1,29 10¹² massas solares. O próprio grupo é um dos muitos em todo o Superaglomerado de Virgem.

53 Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea Aglomerados ricos contêm mil ou mais galáxias. O superaglomerado de Virgem, por exemplo, inclui mais de 2,5 mil galáxias e o centro se localiza a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra.

54 Notícias - Artigo publicado no Astrophysical Journal sobre a presença de anéis e ondas radiais no disco da Via Láctea. As implicações desse estudo é que nossa galáxia pode ser 50% maior do que se pensava: - Astrônomos brasileiros descobrem dois aglomerados de estrelas nas extremidades da Via Láctea: Astrónomos brasileiros confirmam que Via Láctea tem 4 braços:

55 Referências Kepler de Souza Oliveira e Maria de Fátima; Astronomia & Astrofísica. Editora Livraria da Física Slides Prof. Pieter Westera - Noções de Astronomia e Cosmologia José Roberto Costa, Astronomia no Zênite, Via Láctea. Disponível em: Sueli M. M. Viegas e Fabíola de Oliveira; Descobrindo o Universo. Editora Edusp

56 A PARTIR DA SEMANA QUE VEM RECESSO!!! PRÓXIMA AULA: GALÁXIAS I - 01 DE AGOSTO