Galáxias II Formação e Evolução

Universidade Federal do ABC Ensino de Astronomia na UFABC Galáxias II Formação e Evolução Yuri Fregnani Fregnani@gmail.com The Small Cloud of Magellan http://apod.nasa.gov/apod/ap071001.html

Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas. Mas como elas surgiram? Elas evoluem?

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. https://www.youtube.com/watch?v=kif4on6qope

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.

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.

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. Mas o que acontece nessa interação?

Podem acontecer dois tipos de interação entre as galáxias: Colisão Fusão

Galáxias espirais em colisão NGC 2207 IC 2163 http://apod.nasa.gov/apod/ap140119.html

Colisão Como sabemos, a distância que separa as estrelas é muito grande, logo, quando ocorre uma colisão entra as galáxias, as estrelas em geral não sofrem nenhum tipo de choque entre elas. 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 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.

Fusão 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 E qual a consequência desse aumento na energia cinética? A galáxia aumenta de tamanho ou Material é expulso da galáxia

Fusão 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

Fusão 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.

Em rosa: a corrente magellânica, gás que foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagens pelo disco, e onde se encontram várias galáxias anãs.

Tidal Stripping - Remoção de material por forças de maré 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 - Remoção de material por forças de maré 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. NGC 4650A As faixas de poeira em algumas galáxias elípticas, como a NGC 5128. NGC 5128

Galáxias Starburst Um possível resultado da interação entre galáxias, são as galáxias starburst. Elas são galáxias com uma taxa de formação estelar extremamente alta, de 10 a 300 M Sol /ano. Essa formação estelar pode ocorrer no núcleo, ou no disco inteiro, e é provocado pelo colapso do gás e da poeira, uma vez que quase todo momento angular da galáxia se perdeu na interação violenta com uma outra galáxia.

Galáxia M82 Formação estelar http://apod.nasa.gov/apod/ap130704.html

O Problema de Múltiplos Corpos Na prática, as interações entre galáxias são muito complexas, já que elas são formadas por milhões de estrelas, além do gás, poeira, matéria escura e o possível buraco negro supermaciço em seu núcleo. Ainda não temos ferramentas matemáticas que resolvam esse tipo de problema que envolve múltiplos corpos interagindo, conseguimos resolver apenas problemas que envolvem dois corpos. Para superar isso, é feito o uso de supercomputadores, que conseguem simular vários corpos interagindo, formando um sistema que evolui com o tempo.

O Problema de Múltiplos Corpos Uma das primeiras simulações foi feita pelos irmãos Toomre em 1972. Eles modelaram duas galáxias, com núcleos e discos de, mais ou menos, 50 estrelas. Apenas calcularam as forças aplicadas pelos núcleos nas estrelas, conseguindo reproduzir alguns sistemas, como M51 e as Antenas. Também conseguiram mostrar que galáxias irregulares, como a M82 são resultado de interações gravitacionais.

Galáxias Antenas Simulação X Realidade

O Problema de Múltiplos Corpos As simulações mais modernas conseguem incluir cerca de 100 mil estrelas, além do gás, poeira e Matéria Escura. Elas levam em consideração as várias interações entre os diversos componentes da galáxia. Em alguns resultados, estas simulações mostram que os halos de Matéria Escura reduzem o tempo que leva para a fusão das galáxias. As simulações indicam que as galáxias tendem a evoluir para galáxias elípticas através da fusão.

Simulação mais recente das galáxias Antenas

Como se formou a Via Láctea, afinal? O modelo mais aceito hoje, para explicar a formação da Via Láctea, é o Modelo Hierárquico de Fusões, proposto Searle e Zinn em 1978. Nesse modelo, estruturas menores se formam primeiro, e vão se fundindo para formar estruturas maiores.

Como se formou a Via Láctea, afinal? Logo após o Big Bang houve flutuações de densidade bastante grandes, de até 10 12 M Sol. Essas flutuações na densidade se contraíram, formando estrelas. Em alguns casos, até mesmo formando aglomerados globulares. Essas estruturas eram praticamente galáxias anãs. As estruturas no centro das flutuações formaram-se mais densas, se desenvolvendo rapidamente, o que deu a elas uma maior metalicidade. Essa é a origem do bojo, o Proto- Bojo.

Como se formou a Via Láctea, afinal? As zonas de densidade mais afastadas eram menores e possuíam uma metalicidade mais baixa. Eram atraídas para o centro. Chegando perto do centro, essas estruturas eram rompidas por forças de maré, o que originou as estrelas do Halo. Apenas cerca de 10% dos Aglomerados Globulares sobreviveram as forças de maré, dando origem aos Aglomerados Globulares do Halo.

Como se formou a Via Láctea, afinal? As estruturas formadas longe das flutuações de densidade e com menor massa, sobrevivem até hoje, compondo as atuais galáxias satélites da Via Láctea. Algum dia serão incorporados na Galáxia, como as Nuvens de Magalhães e a galáxia de Sagitário, por exemplo. http://apod.nasa.gov/apod/ap030930.html

Como se formou a Via Láctea, afinal? Fragmentos longe de qualquer sobredensidade maior talvez sobreviverão para sempre como galáxias anãs. Galáxia anã Fornax O gás dos fragmentos rompidos caiu para o centro e, tendo um momento angular por causa de torques de nuvens protogalácticas, formou um disco. Dentro deste disco, algumas nuvens conseguiram resfriar e formar estrelas. Era a origem do Disco Espesso.

Como se formou a Via Láctea, afinal? Depois de formado o Disco Espesso, o gás que sobrou, ainda mais enriquecido, se manteve no plano com escala de altura ~600 pc. Inicialmente, este disco auto manteve esta espessura, partes que resfriavam se contraíam, começavam a formar estrelas, se reaqueciam e reexpandiam. Com o tempo a formação de estrelas fez a densidade do gás diminuir, o que fez a formação estelar também diminuir, e assim o disco se reduziu a 350 pc. Esse é o Disco Fino.

Como se formou a Via Láctea, afinal? Por fim, o gás que sobrou se resfriou ainda mais, se contraindo para um disco de ~100 pc, o atual Disco de gás e poeira da Via Láctea. Para as estrelas jovens encontradas no Bojo, a explicação é que, em fusões recentes com galáxias satélites ricas em gás, este gás se concentrou no disco e no centro, formando novas estrelas. A Barra Central da Galáxia parece ajudar na migração de material pro centro, como se fornecesse um caminho até ele. Assim, parece que a Via Láctea se formou da fusão de várias galáxias anãs. https://www.youtube.com/watch?v=vqbzdcfkb7w

Galáxias Elípticas Muitas elípticas foram provavelmente formadas por um colapso similar àquele que deu origem às espirais, com a diferença que não havia gás sobrando para a formação de um disco. Isto explica as baixas metalicidades encontradas nelas e a falta de gás. Como vimos, as galáxias elípticas que possuem gás provavelmente o adquiriram depois da sua formação.

Galáxias Elípticas

Galáxias Elípticas Já as elípticas gigantes são provavelmente resultados das fusões de galáxias espirais, como aquelas vistas nas simulações de colisão de múltiplos corpos. Nesse processo os discos são destruídos e o gás, expulso. Uma possível causa das elípticas serem resultados de fusões é o fato de que elípticas são mais frequentes em ambientes densos.

Galáxias cds O auge de fusões de galáxias devem ser as galáxias cd, galáxias gigantes nos centros de Aglomerados de galáxias com tamanhos de até 1 Mpc e centenas de vezes a massa da Via Láctea. M87 Muitas têm núcleos múltiplos que se orbitam com velocidades muito altas, cerca de 1000 km/s, velocidade muito mais alta que a das estrelas, 300km/s. Elas devem ser o resultado de fusões de muitas galáxias.

Buracos Negros Binários Em fusões de galáxias grandes é inevitável a formação de um Buraco Negro Supermaciço Binário. Os Buracos Negros centrais das galáxias envolvidas migram para o centro da nova galáxia por fricção dinâmica. Em NGC 6240, os dois Buracos Negros se encontram a uma distância de ~1 kpc um do outro. O Buraco Negro binário em NGC 6240 nos raios X (Chandra)

Buracos Negros Binários Quando os Buracos Negros chegam muito pertos, eles se orbitam e emitem ondas gravitacionais (já detectadas (2016) https://goo.gl/9d5ukx), assim perdendo momento angular e aproximando ainda sua órbita. No final há uma fusão de Buracos Negros, resultando em um Buraco Negro ainda maior. Acredita-se que assim foram formados os Buracos Negros centrais de galáxias gigantes.

Galáxias Ativas Existem alguns tipos especiais de galáxias com características únicas. Chamamos elas de Galáxias Ativas. Elas mostram sinais de atividade violenta em diferentes espectros de observação. Essa atividade é causada por seus núcleos chamados AGNs (Active Galactic Nuclei - Energia dos Núcleos Ativos de Galáxias).

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.

Galáxias Ativas Existem ao menos três tipos de galáxias ativas: Quasares Rádio-galáxias Galáxias Seyfert

Quasares Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar) é um objeto astronômico distante e poderosamente energético. Seu núcleo galáctico é extremamente ativo. Um único quasar emite entre 100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira com 100 bilhões de estrelas como a Via Láctea. Quasar observado em Raio-X

Imagem do Hubble mostrando o núcleo de um quasar https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e8/quasar_viewed_from_hubble.jpg

Rádio-galáxias Quando observadas diretamente, geralmente têm a aparência de uma galáxia elíptica grande. Sua natureza é revelada quando observadas em ondas de rádio e normalmente apresentam uma estrutura dupla com dois lóbulos emissores localizados um em cada lado da galáxia. No referencial da Terra, esses jatos se propagam com velocidade próxima à da luz, o que causa um efeito relativístico chamado headlight effect, ou efeito farol.

Centauro A, localizada na constelação do Centauro https://antoniofdiazbustos.files.wordpress.com/2013/02/centauro-a-multiespectro.jpg

Rádio-galáxias Quase toda a radiação é emitida pra frente, e quase nada pra trás. Quando o jato faz um ângulo pequeno com a linha de observação, o lado apontando pra nós aparece muito mais brilhante. Além disso, o outro lado, chamado contrajato, pode se encontrar atrás de um disco de poeira, o que o torna invisível para nós.

Galáxias Seyfert Galáxias mais próximas de nós, cujo espectro nuclear é semelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso. Consegue-se observar a galáxia hospedeira com facilidade. São na maioria espirais, mas em uma porcentagem pequena de todas as galáxias, são frequentemente acompanhadas por outras galáxias. Possuem um núcleo brilhante.

NGC 4151, Olho de Sauron

Formação de Galáxias no Início do Universo A mais distante e, portanto, a mais antiga, imagem de galáxias que temos é o Hubble Ultra Deep Field. Essa imagem retrata o Universo como ele era a 13 bilhões de anos atrás, cerca de 400 à 800 milhões de anos após o Big Bang. Estima-se que haja 10 mil galáxias dentro da área estuda pelo telescópio Hubble.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/hubble_ultra_deep_field.jpg

Formação de Galáxias no Início do Universo Apesar da maioria dos pontos visíveis no HUDF possam ser observadas em infravermelho a partir da terra, o telescópio Hubble é o único instrumento capaz de fazer observações dessas estruturas distantes com comprimentos de onda da luz visível. Elas tinham aparências bem diferentes das galáxias atuais. Deve se tratar de fragmentos proto-galácticas.

Resumo Como vimos, as galáxias possuem interações complexas entre elas e o ambiente a sua volta, dependendo de diversos fatores para a sua evolução. Um dos fatores determinantes para a evolução das galáxias é a sua massa. É ela quem vai definir propriedades como luminosidade e formação de estrelas, por exemplo.

Resumo Sabemos que as galáxias podem apresentar duas tonalidades: Azul Ricas em gás Grande formação de estrelas Vermelha Pobres em gás Baixa formação de estrelas

Resumo A evolução das galáxias pode acontecer por dois processos: Colisões Troca de gás e poeira, pode dar início a uma nova fase de formação estelar, entretanto, as estrelas das galáxias não sofrem nenhum tipo de colisão direta. Fusão Galáxias se encontram e se juntam, formando uma nova galáxia. A Via Láctea está passando por um processo de fusão com as Nuvens de Magalhães.

Resumo As fusões de galáxias podem ter três resultados: Azul + Azul = Azul Quando uma galáxia com grande massa se junta com uma de pouca massa. Azul + Azul = Vermelha Quando as duas galáxias tem massas semelhantes. Vermelha + Vermelha = Vermelha Como ambas tem pouca gás, não haverá formação de estrelas.

Esquema Simplificado

O Futuro da Galáxia Vimos que a galáxia de Andrômeda era uma exceção entre as outras, em vez de estar se afastando de nós, Andrômeda sofre um blueshift, ou seja, está chegando cada vez mais perto. Andrômeda está se aproximando da Via Láctea a 120 km/s.

O Futuro da Galáxia Em cerca de 4 bilhões de anos, as duas maiores galáxias do Grupo Local irão colidir, formando uma galáxia elíptica gigante. Algum tempo depois, a galáxia Triângulo se juntará a essa nova galáxia. O Sistema Solar provavelmente vai sobreviver à fusão, mas deve parar mais longe do centro da nova galáxia, ou será expulso.

Colisão entre a Via Láctea e Andrômeda https://www.youtube.com/watch?v=fmnlt2fnhdg

Até mais, e Obrigado pelos Peixes!

Referências Quadro resumido com o surgimento das galáxias - https://goo.gl/ht6m37 Infográfico com algumas curiosidades sobre galáxias - http://astronomyisawesome.com/infographics/10-galaxies-andweird-facts/ Colisões de galáxias Gastão, B. Lima Neto IAG/USP - http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/seminarios/colisoesgalaxs_ 6_2008.pdf Aula do professor Pieter Westera - http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/astroaula12.pdf