Universidade Federal do ABC Jessica Gonçalves de Sousa E-mail: jessicasousa.fisica@gmail.com Ensino de Astronomia UFABC Aula: Via Láctea
Galáxia: definição 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]
A palavra galáxia deriva do grego galaxias, literalmente leitoso, numa referência à nossa galáxia, a 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.
História da Via Láctea Originalmente: Uma faixa de luz difusa no céu. Na mitologia grega leite materna da deusa Hera jorrado no ceu, quando esta deu um empurrão ao menino mortal Heracles. Galileu descobriu em 1610 que ela consiste de estrelas. Hoje e a nossa Galaxia (com G maiúsculo) e o Sistema Solar faz parte.
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. [in 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.
História do descobrimento da Via Láctea No final do século XVIII, o astrônomo alemão William Herschel (17381822), 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.
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 (1851-1922). 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 distancia 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.
História do descobrimento da Via Láctea Harlow Shapley (1885-1972),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 (=>aula Estrelas 2) (150 deles), que formam um halo em volta na nossa galáxia, estavam concentrados em uma direção; poucos deles era visto na direção oposta.
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 23000 anosluz.
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 Cefeidas, semelhantes às da Via Láctea (essas estrelas mudam de brilho regularmente). Hubble usou as curvas de luz das variáveis Cefeidas 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. Hubble (direita) com outros dois astrônomos (Walter Adams, esquerda e James Jeans, médio) na frente de um telescópio de 100 polegadas do Monte Wilson.
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.
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 a núcleo maior, braços pequenos e bem enrolados b núcleo e braços intermediários c núcleo menor, braços grandes e mais abertos
Galáxias Espirais Via Láctea. Indícios obtidos recentemente apontam que a Via Láctea seja uma galáxia SBc.
Galáxias Espirais A olho nu, conseguimos observar três galáxias (vizinhas da Via Láctea). Andrômeda(M31) Grande Nuvem de Magalhães (LMC) Pequena Nuvem de Magalhães NGC292
Galáxias Espirais M31 Galáxia de Andrômeda. A galáxia espiral mais próxima da Via Láctea. Estimativas apontam que nela existam mais de 1 trilhão de estrelas.
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.
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%
Populações Estelares Quais tipos de estrelas existem em cada parte da Via Láctea? Walter Baade (1893-1960), contemporâneo de Edwin Hubble no observatório de Mount Wilson, estudando a galáxia Andrômeda, notou que podia distinguir claramente as estrelas azuis nos braços espirais da galáxia, e propôs o termo População I para estas estrelas dos braços, e População II para as estrelas vermelhas visíveis no bojo da galáxia e aglomerados globulares (de Shapley). Atualmente, utilizamos essa nomenclatura mesmo para estrelas da nossa Galáxia e sabemos que as estrelas de População I são estrelas jovens,como o Sol, com menos de 7 bilhões de anos, ricas em metais, isto é, com conteúdo metálico (qualquer elemento acima do He) de cerca de 2%, enquanto que a População II corresponde a estrelas velhas, com cerca de 10 bilhões de anos,e pobre sem metais, isto é, com menos de 1% em metais.
Relação idade-metalicidade Com o tempo, o meio interestelar é enriquecido de elementos pesados por estrelas que morreram (nebulosas planetárias, supernovas). Aglomerados abertos Deste meio enriquecido as novas estrelas se formam. Novas gerações de estrelas são mais ricas em metais que as anteriores. Aglomerados globulares
Aglomerados Aglomerados abertos (~2000) na maioria no disco Aglomerados globulares (~160) na maioria no halo
O Disco Galáctico O disco é uma estrutura circular achatada, com diâmetro de 30000 pc (100000 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 estelares. 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.
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 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 2997, mostrada na figura abaixo. 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. *parsec é ~3.26 anos-luz ou ~30 trio. km (3x10¹³ km) NGC 2997 Via Láctea- Telescópio COBE
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 (=> aula Estrelas I) muitas incertezas ainda sobre o origem destas ondas
Núcleo (ou centro) Galáctico A parte mais difícil de observar da Via Láctea é o Centro, escondendose atrás de poeira valendo~30 magnitudes de extinção no ótico, na constelação de Sagitário. Melhor observável em comprimentos de ondas mais longas, λ> 1 μm Observando na banda K, λ~ 2.2 μm, dá pra ver um aglomerado denso de estrelas velhas.
Núcleo (ou centro) Galáctico Nesta região, as estrelas orbitam algum centro de massa(chamado Sagitário A* (SgrA*)) tão rapidamente que dá pra observar o movimento. A estrela mais próxima do Centro Galáctico, S2, orbita SgrA* em apenas 15.2 anos, chegando a 120 UA do Centro. Em comparação, plutão tem um afélio de 49 UA. A única explicação que conhecemos para um objeto tão denso e escuro é um Buraco Negro Supermaciço, em contraste aos Buracos Negros Estelares (=>próxima aula) formados na morte de uma estrela, de massas bem menores.
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. Braço de Perseu Braço de Norma Braço de Centauro (CruzScutum) Carina-Sagittarius Braço de Órion
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
Halo 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.
Halo Do que consiste a Materia Escura? Anos 80: debate MACHOs <=> WIMPs - MACHOs (ingl. MAssive Compact Halo Objects, objetos do halo massivos e compactos, ou machoes): - Anas Marrons - Jupiters - Estrelas comuns, mas de baixo brilho - Anas Brancas - Estrelas de Neutrons - Buracos Negros
Halo Do que consiste a Materia Escura? Anos 80: debate MACHOs <=> WIMPs - WIMPs: particulas massivas interagindo pela forca fraca (do ingles Weakly Interacting Massive Particles; a palavra inglesa wimp também significa chorão) - particulas elementares interagindo com o resto da materia so pela forca fraca e pela gravitacao, p. e. neutrinos, as particulas preditas pela teoria de supersimetria, ou outras. => praticamente invisíveis. Era, entao um debate machoes vs. chorões.
Do que consiste a Materia Escura? Como detectar os MACHOs? Pelo efeito lente, consequencia da Relatividade Geral: Luz e defletida por massa. Quando um MACHO passa na frente de uma estrela de fundo, a luz da estrela e focada na Terra => A estrela parece mais brilhante por algumas horas ou dias. Por ser um efeito fraco (comparado ao efeito devido a galaxias ou aglomerados) se fala de microlensing. Pela curva de luz da estrela de fundo pode-se determinar a massa do MACHO. Curvas de luz de uma estrela durante um evento de microlensing
Do que consiste a Matéria Escura? O Projeto MACHO Observaram 12 mi. estrelas na Grande Nuvem de Magalhaes de 1992 a 1998 com um telescopio no observatorio Mt. Stromlo na Australia. Detectaram entre 13 e 17 eventos de microlensing. => Estimativa do numero total de MACHOs na Via Lactea. Determinando as massas destes MACHOs, consegue-se estimar a massa total de MACHOs em nossa Galaxia.
Do que consiste a Matéria Escura? MACHOs ou WIMPs, então? O Projeto e outros, similares, detectaram vários MACHOs => eles existem, mas de longe nao em numero/massa suficiente para explicar a Matéria Escura na Via Láctea (compoem menos de 1 % do numero suficiente). => A Matéria Escura deve consistir na maioria de WIMPs, partículas elementares ainda não detectadas. Os chorões derrotaram os machões!
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. NGC 6050 e IC 1179 Quinteto de Stephan (NGC7319, NGC7318a, NGC7317, NGC7320)
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 af orma de uma galáxia. Antennae Galaxies NGC 4038 e NGC 4039.
Evolução das galáxias Via Láctea A Via Láctea e Andromeda 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.
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 einfluenciam 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.
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 anos-luz de diâmetro e tem uma aparência binária. A massa total do grupo é estimado em 1,29 10¹² massas solares. O próprio grupo é um dos muitos em todo o Superaglomerado de Virgem.
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 se localiza a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra.
Reconhecer que cada molécula que constrói nosso corpo, e os átomos que constroem as moléculas, podem ser rastreados até os núcleos incandescentes de estrelas de alta massa que explodiram e lançaram seus interiores quimicamente ricos na Galáxia, enriquecendo quimicamente nuvens de gás primordiais com a química da vida. Desta forma, estamos todos conectados: biologicamente uns com os outros; quimicamente com a Terra e atomicamente com o resto do universo. Isto é maravilhoso. Isto me faz sorrir e, na verdade, isto me traz uma sensação de grandeza. Não que sejamos melhores que o universo, nós somos parte dele. Estamos no universo e o universo está em nós. Neil degrasse Tyson O catálogo de objetos difusos de Messier (1758-1782)
Referências Kepler de Souza Oliveira e Maria de Fátima; Astronomia & Astrofísica, editora Livraria da Física editora Pieter Westera, Noções de Astronomia e Cosmologia, in http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/astro.html José Roberto Costa, Astronomia no Zênite, Via Láctea, in http://www.zenite.nu/ Sueli M. M. Viegas e Fabíola de Oliveira; Descobrindo o Universo, editora edusp