Galáxias: Via Láctea 2a parte - Rotação Diferencial - Braços Espirais Sandra dos Anjos IAGUSP www.astro.iag.usp.br/aga210/ Agradecimentos: Prof. Gastão Bierrenback e Prof. Vera Jatenco
Vimos no Roteiro 20 as propriedades gerais da Galáxia, várias subestruturas e conteúdo geral destas sub-estruturas, bem como a região central da Galáxia que indica abrigar um buraco negro. Neste Roteiro vamos ver 2 fenômenos dinâmicos fundamentais que ocorrem no disco de espirais: a rotação diferencial e a formação dos braços...
DISCO: é a componente mais luminosa e tem a maior parte das estrelas. Possui braços, fenômenos dinâmicos particulares como ondas de densidade, rotação diferencial, entre outros... - d ~ 30Kpc 50Kpc (120 mil a.l) - dsol ~ 8.5 Kpc - Pop I e II (essencialmente jovem - rica em metais) - Dados atuais barra (2-3Kpc) - Disco estratificado (fino jovem e velho, espesso) - Braços população jovem (I) - Gás + poeira confinados disco - Estrelas + MIS estão em rotação diferencial descobertas mais recentes incluem a presença de uma BARRA!
Rotação da Galáxia Disco em Rotação Rotação em torno do centro Galáctico.
Curvas de rotaçãocurvas de Rotação Medimos a velocidade para corpos em várias distâncias do centro de rotação. Exemplo: No caso do Sistema Solar, esta rotação tem comportamento Kepleriano. velocidade de rotação ou velocidade orbital
Comportamento da Curva de Rotação Galáctica esperada...2 regimes de comportamento 2o- Rotação kepleriana no disco 1o-Rotação rígida no bojo V el oc i d ad e Raio Orbital No caso da rotação rígida, todos os objetos deslocam-se à mesma velocidade angular, e a velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica (exemplo disco compacto ou DVD). Esse caso aplica-se de maneira aproximada às regiões mais internas da Galáxia.
Medindo a rotação da Via-Láctea Difícil, pois estamos dentro do disco da Galáxia. As flechas (vetores) indicam a velocidade orbital. Para medir a velocidade de rotação precisamos levar em conta o movimento do Sol. e nuvens moleculares
Medindo a rotação da Via Láctea Um caminho para se chegar lá...: 2 etapas Escolha de alguns objetos típicos que se encontram nos braços Sol centro galáctico Mapa feito com observações em rádio do hidrogênio neutro (HI). e nuvens moleculares
Curva de rotação da Galáxia Até 15 kpc: usa-se como traçadores regiões H II, estrelas O e B (visível, IV, rádio) Além de 15 kpc: HI (rádio, 21cm)
Curva de rotação da Galáxia O Sol se move com cerca de 200--220 km/s. O Sol está a cerca de 7,5--8,0 kpc do centro da Galáxia. Logo, uma volta do Sol leva de 210--225 milhões de anos. No último ano Galáctico a Terra estava no Triássico.
Curva de rotação da Galáxia Objetos que estão mais distantes do centro do que o Sol levam mais tempo para dar uma volta completa. Regime de rotação diferencial.
Curva de rotação da Galáxia rotação de corpo sólido Objetos que estão menos distantes do centro do que o Sol levam menos tempo para dar uma volta completa, e também podem estar em rotação diferencial. Na região do bojo da Galáxia as estrelas seguem um regime diferente de rotação, denominado rotação de corpo sólido. Neste regime, os objetos levam o mesmo tempo para dar uma volta completa. Vamos entender melhor esta situação...
Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco Rotação Rígida No caso da rotação rígida, todos os objetos deslocam-se à mesma velocidade angular Vangular = Vlinear/R),...e a velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica.
Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco Rotação Kepleriana No caso da rotação diferencial, objetos mais distantes viajam com velocidade menor do que os mais próximos ao bojo
Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco Rotação Rígida x Rotação Kepleriana No caso da rotação rígida, todos os objetos deslocam-se à mesma velocidade angular Vangular = Vlinear/R), e a velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica. No caso da rotação diferencial, objetos mais distantes viajam com velocidade angular menor do que os mais próximos ao bojo
Curva de rotação da Galáxia ve l oc i d a d e v = cte v R raio O que segura as estrelas, o gás e 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 (ver fig. ao lado).
Curva de Rotação da Galáxia ve l oc i d a d e v = cte v R raio A velocidade orbital constante a partir de um raio R implica que a massa aumenta com a distância ao centro da Galáxia: 3a Lei de Kepler: Massa dentro da órbita M vµ R velocidade orbital raio da órbita
Curva de rotação da Galáxia ve l oc i d a d e v = cte v R massa raio raio Mas praticamente não observamos mais estrelas além de 16 kpc, e apenas pouco gás até 30 kpc. Logo, conclui-se que existe massa, porém de natureza invisível. Matéria Escura. ~16 kpc Sol
Curva de Rotação da Galáxia...o que se prevê pela teoria e o que se observa......problema da Matéria Escura teoria Se a CR continua crescendo, isto implica em que a massa também. Entretanto, não observamos objetos que possam traçar a CR além de 50 (x 1000 ly). Conclui-se que ela existe, porém de natureza invisível Matéria escura
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
Braços espirais no disco observamos os braços espirais... Assentados - São delineados por estrelas jovens, regiões HII, nuvens moleculares e poeira. - A Galáxia é uma espiral com 3 braços. - Mal definidos pelas estrelas velhas. - Muito mais fáceis de se identificar em outras galáxias. Sol centro galáctico M101 visível rádio Via Láctea
Vários braços espirais no disco Galáctico.
Como eles se formam?...seriam eles formados pela matéria que gira no disco?...ou seja, seriam os braços de espirais, materiais? - Se assim o fosse, seriam desfeitos depois de um certo número de rotações. - Fato: observamos eles até hoje! - Vamos examinar mais detalhadamente esta possibilidade...
- 1a possibilidade: Braços espirais são materiais? Resultam da rotação diferencial? Imagine 4 estrelas em órbitas circulares inicialmente alinhadas ao longo do centro galactico e com velocidade linear, viajando em órbitas a diferentes distancias... Após 1 volta completa da estrela A, a estrela B completou ½ volta e as estrelas C e D a caminho... Quando a estrela A completou ½ volta, as estrelas B, C e D completaram apenas ¼ de volta, ou menos... Quando a estrela A completa sua 2a órbita, a espiral continua a enrolar ainda mais... Após várias voltas, observa-se que os braços espirais não se comportam como uma estrutura material, que se espirala gradualmente devido à rotação diferencial do disco. Se fosse esse o caso, deveríamos observar galáxias com braços extremamente apertados devido ao efeito acumulado de dezenas de revoluções de órbitas. Como não se observa objetos com este efeito na natureza... Então, ou eles tem vida curta, ou eles não são materiais...
Simulação abaixo mostra que após várias voltas os braços se desmancham v v
Braços Espirais 2a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco.... Correta! Teoria de ondas de densidade originalmente proposta por Bertil Lindblad e posteriormente desenvolvida pelo matemático C. C. Lin e o astrônomo chinês Frank H. Shu nos anos 1960. T = 0 -> instante inicial orbitas alinhadas Origem da compressão? T 0 -> órbitas desalinhadas devido ao congestionamento
o efeito geral do movimento das estrelas a diferentes órbitas, portanto, a diferentes raios, gera o padrão espiral...que nada mais é do que uma instabilidade que se propaga pelo disco... As órbitas ligeiramente elípticas tendem a se precessionar como resposta ao efeito da força de gravidade gerada pela onda de densidade. O acúmulo de órbitas próximas cria o padrão espiral observado abaixo... Origem da compressão: devido a congestionamento de órbitas das estrelas. Órbitas ligeiramente elípticas, com eixo deslocado por um pequeno ângulo.
Simulação do movimento estelar em diferentes órbitas ao longo do disco das galáxias. Elas se desalinham devido ao congestionamento de estrelas origem da perturbação que resulta em uma forma Espiral!!! As órbitas das estrelas são elípticas. As estrelas, seguindo suas órbitas elípticas e precessionadas umas em relação às outras, vão se acumular gerando uma instabilidade que resulta no padrão espiral. Note que a espiral não é feita pelas mesmas estrelas.
Entendendo melhor como a instabilidade se mantêm... "A Persistência dos Braços Espirais O excesso de densidade nos braços causa uma deflexão das estrelas próximas, que então se aproximam e se movem através da onda (instabilidade), realimentando a densidade do próprio braço a estrela é puxada de sua órbita pelo braço espiral criando assim, ao longo dos braços, uma onda de densidade
Este efeito de passagem das estrelas pelos braços espirais é semelhante ao que ocorre em um engarrafamento de carros em uma rodovia. Para quem observa a partir de um helicóptero existe ali um excesso de veículos. Mas em cada instante a composição desta região se altera com a evolução gradual do tráfego. Região do braço espiral
Persistência dos Braços Espirais...um exemplo do dia-a-dia... Congestionamento na estrada provoca perturbação... Esta perturbação se propaga na estrada e não são sempre os mesmos carros que são responsáveis pelo congestionamento. Nesta analogia, os braços espirais seriam gerados como consequencia das perturbações geradas pelo congestionamento de órbitas das estrelas. A propagação da onda de densidade por um disco constituído de estrelas, gás e poeira, comprime o gás, gerando assim novas estrelas. Como a forma da perturbação em grande escala é espiral, as estrelas que nascem vão traçar a mesma forma...gerando os braços espirais que observamos nas galáxias espirais.
Solução parcial ao problema do enrolamento ondas de densidade Em síntese: onda espiral de densidade é o resultado de uma perturbação gravitacional que se propaga no disco gerando um efeito de empilhar o material temporariamente na crista da onda e, que, como consequencia deste empilhamento forma novas estrelas... Uma vez formadas vão então traçar temporariamente os braços, como vimos anteriormente Nesta analogia:...o congestionamento das órbitas das estrelas provocaria uma perturbação que se propaga pelo disco gerando uma onda espiral. As estrelas
Simulação de uma onda de compressão....uma instabilidade que está se propagando pelo disco A espiral em uma galáxia é como uma onda que se propaga no disco. A forma da espiral não muda, isto é, o padrão espiral gira como um corpo sólido (mas não é sólido!). http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/bracoespiral/index.html
Uma visualização deste processo consiste em imaginar a propagação de ondas em um líquido. Se o mesmo estiver em repouso teremos ondas circulares. Mas o movimento de rotação faz com que esta estrutura ondulatória se modifique criando um padrão espiral. Em repouso: ondas circulares Em rotação: padrão espiral
Mas a onda espiral que se propaga no disco encontra pelo caminho estrelas, gás e poeira (nuvens moleculares)... Rotação dos braços espirais. 2a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. A onda espiral se propaga com velocidade diferente das estrelas e das nuvens moleculares. Vimos no slide 62 que se propaga como um corpo sólido... Quando a onda espiral atravessa o material do disco que contêm gás, poeira...nuvens moleculares, ela comprime o gás, gerando a formação de novas estrelas. Estrelas massivas então nascem, traçam os braços espirais, mas vivem pouco. Conforme a onda espiral se propaga, ela vai acendendo novas estrelas...
Simulação mostrando a rotação da onda de densidade (espirais azul e vermelha) e a rotação das estrelas com o material do disco (pontinhos pretos) Os braços espirais, resultado da propagação da instabilidade, tem velocidade angular constante e giram como corpo rígido. As estrelas do disco têm velocidade diferencial. Como resultado da rotação diferencial, na região mais central, as estrelas giram mais rápido do que os braços. Na região mais externa os braços giram mais rápido do que as estrelas. Existe uma situação onde os braços e as estrelas giram com a mesma velocidade. É o que chamamos de Ressonância de Corrotação
Braços são produzidos por uma perturbação no disco. Barras também são produzidas por uma perturbação. O padrão espiral, bem como as barras, giram com uma velocidade angular constante.
Como explicar a formação da Galáxia compatibilizando toda a diversidade de subestruturas e conteúdo de cada uma delas, além do comportamento cinemático? Como estas subestruturas coexistem com tamanha diversidade em suas propriedades gerais? Veremos no Roteiro 21 Outras Galáxias, como foram estes objetos descobertos e o impacto causado na visão de Universo daquela época.