Universidade Federal do ABC Jessica Gonçalves de Sousa E-mail: jessicasousa.fisica@gmail.com Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II
Formação das Galáxias Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas. Mas como elas surgiram? Elas evoluem?
Formação das Galáxias A maioria das galáxias se formaram cedo, mas dados do telescópio Galaxy Explorer (Galex), da NASA, indicam que algumas galáxias se formaram recentemente ao longo dos últimos bilhões de anos.
Formação das Galáxias As duas suposições bases para a maioria das teorias que são feitas a respeito são: - Ele (universo) estava repleto de hidrogênio e hélio - Algumas áreas eram ligeiramente mais densas que outras.
Formação das Galáxias Os astrônomos acreditam que as áreas mais densas desaceleraram a expansão ligeiramente, permitindo que os gases se acumulassem em pequenas nuvens protogalácticas.
Formação das Galáxias Nessas nuvens, eram formadas as estrelas devido ao colapso entre gás e poeira.
Formação das Galáxias A medida que se contraíam, formavam discos giratórios, que por sua vez atraíam mais gases e poeira com a força da gravidade e com isso os discos galácticos se formaram, e dentro deles eram criados mais estrelas. https://www.youtube.com/watch?v=y29rqyydkn w
Formação das Galáxias A grande maioria das Galáxias têm formas mais ou menos regulares quando observadas em projeção contra o céu, e se enquadram em duas classes gerais: espirais e elípticas. Algumas galáxias não têm forma definida, e são chamadas irregulares. Atualmente se sabe que as galáxias nascem nas regiões de maior condensação da matéria escura. A distribuição destas condensações é aleatória.
Formação das Galáxias Há dois fatores neste processo que podem ser responsáveis pelas diferenças entre as galáxias elípticas e as galáxias espirais.
Formação das Galáxias O primeiro fator é o momento angular (quantidade de momento giratório) as nuvens protogalácticas com maior momento angular podiam girar mais rápido e formar discos espirais. Em galáxias espirais existe mais gás e estrelas de todas as idades e metalicidades (as mais jovens tendo metalicidades mais altas) incluindo a formação estelar atual.
Formação das Galáxias As galáxias espirais têm diâmetros que variam de 20 mil anos-luz até mais de 100 mil anos-luz. Estima-se que suas massas variam de 10 bilhões a 10 trilhões de vezes a massa do Sol. Nossa Galáxia e M31 são ambas espirais grandes e massivas.
Formação das Galáxias As nuvens com rotação mais lenta podem ter formado as galáxias elípticas. As galáxias elípticas tem predominantemente estrelas velhas e de baixa metalicidade e pouco gás.
Formação das Galáxias O segundo fator é o resfriamento, nuvens de alta densidade se resfriavam mais rápido, consumindo todo o gás e poeira na formação de estrelas, assim não sobrando matéria para um disco galáctico, por isso que as galáxias elípticas não possuem discos.
Evolução das Galáxias 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.
Evolução das Galáxias 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.
Evolução das Galáxias 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.
Evolução das Galáxias 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.
Evolução das Galáxias Comparadas às estrelas, às galáxias ficam relativamente perto uma das outras, podem interagir... E em que isso afeta a evolução das galáxias?
Evolução das Galáxias Podem acontecer dois tipos de interação entre as galáxias: Colisão Fusão
Colisão de Galáxias As galáxias podem colidir. Quando colidem, elas na verdade se atravessam mutuamente em geral, as estrelas que elas contêm não se chocam devido às grandes distâncias que as separa.
Colisão de Galáxias 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 de Galáxias 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.
Evolução das Galáxias O que pode resultar das colisões: novas ondas de formação de estrelas supernovas; Colapsos estelares que formam os buracos negros, ou buracos negros supermassivos em galáxias ativas.
Fusão de Galáxias 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 de Galáxias E qual a consequência desse aumento na energia cinética? A galáxia aumenta de tamanho ou Material é expulso da galáxia
Fusão de Galáxias 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 de Galáxias 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 cor de rosa: a corrente magellânica, gás que foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagens pelo disco.
Evolução das Galáxias Fusões e canibalismo: Fusões acontecem entre galáxias de tamanhos semelhantes. Canibalismo acontece entre galáxias de tamanhos diferentes.
Tidal Stripping 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. https://www.youtube.com/watch?v=acamw29zxx0 Tidal Stripping, é o análogo galáctico de uma estrela ultrapassando seu limite de Roche.
Tidal Stripping 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. As faixas de poeira em algumas galáxias elípticas, como a NGC 5128.
Formação de Galáxias Modelo hierárquico de fusões É o modelo mais aceito hoje. As estruturas menores se formam primeiro, e depois fusionam para formar as estruturas maiores, de baixo pra cima.
Formação de Galáxias Os modelos computacionais mostram que colisões entre galáxias espirais tendem a resultar em galáxias elípticas. Assim indicando que colisões em que se resultam em forma de espiral provavelmente não passaram por colisão.
Buracos Negros Buracos Negros Binários Nas fusões de grandes galáxias há a formação de um Buraco Negro Supermaciço Binário
Buracos Negros Buracos Negros Binários Quando chegam muito perto, se orbitam emitindo ondas gravitacionais, assim espiralando ainda mais para o centro de massa.
Buracos Negros Buracos Negros Binários Ao fim, os dois se fundem resultando em um Buraco Negro ainda maior. Há hipóteses que os Buracos Negros centrais de galáxias gigantes se formaram assim.
Distribuição das Galáxias As galáxias não se distribuem aleatoriamente ao longo do universo, elas tendem a existir em aglomerados galácticos. As galáxias nesses aglomerados se mantêm unidas pela gravitação e matéria escura.
Distribuição das Galáxias A Via Láctea e a galáxia Andrômeda (M31) fazem parte de um grupo chamado Grupo Local, que contêm entre 35 e 50 galáxias.
Distribuição das Galáxias O Grupo Local, é onde está localizada nossa galáxia. O centro gravitacional se localiza entre a Via Láctea e Andrômeda. As galáxias do Grupo local cobrem uns 10 milhões de anos-luz de diâmetro e tem aparência binária.
Distribuição das Galáxias Aglomerados pobres: contêm menos de mil galáxias. Aglomerados ricos: contêm mil ou mais galáxias. O aglomerado de Virgo é um Aglomerado Rico e Irregular. Seu centro fica a 16 Mpc da Terra, e tem um diâmetro de ~3 Mpc. É composto por: 250 galáxias grandes, entre eles três elípticas gigantes perto do centro, cada uma do tamanho do Grupo Local; E mais de 2000 pequenas galáxias.
http://apod.nasa.gov/apod/ap110422.html Aglomerado de galáxias de Virgo
Distribuição das Galáxias O superaglomerado de Virgem também é um exemplo de aglomerado rico, com mais de 2,5 mil galáxias.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/earth's_location_in_the_universe_smaller_(jpeg).jpg
Distribuição das Galáxias Os astrônomos Margaret Geller e Emilio E. Falco descobriram que as galáxias e aglomerados galácticos não se distribuem de maneira aleatória, mas se agrupam em paredes (longos filamentos) entremeados vazios, o que faz com que o universo se assemelhe a uma teia de aranha.
Lei de Hubble Hubble descobriu que a velocidade de afastamento das galáxias distantes é proporcional à distância até elas. Se a velocidade de afastamento das galáxias é proporcional à distância delas até nós, então estamos no centro da expansão?
Lei de Hubble Estaria a Terra no centro do Universo? Não! O Universo se expandindo uniformemente, sendo homogêneo e isotrópico, faz com que qualquer ponto veja os outros pontos se afastando com velocidades proporcionais às suas distâncias. Desse modo, qualquer ponto se sente o centro do Universo.
Lei de Hubble A Lei de Hubble, além de ajudar a provar a expansão do Universo, também fornece um método para medir distâncias até uma galáxia. Como a luz de galáxias distantes leva tempo para chegar até nós, os objetos que observamos com redshifts altos são como eles eram no passado, ou seja, quando o Universo tinha uma idade menor.
Lei de Hubble Assim, o redshift funciona como uma medida para a idade e o tamanho do Universo na época em que a luz foi emitida. Quanto maior o redshift, menor era o tamanho do Universo e mais novo ele era. Usando o efeito redshift podemos observar a distribuição espacial das galáxias.
Galáxias Ativas Existem alguns tipos especiais de galáxias com características únicas. Chamamos elas de Galáxias Ativas. Elas mostram sinais de atividade violenta em diferentes faixas espectrais.
Galáxias Ativas Mostram sinais de atividade violenta em várias faixas espectrais. Essa atividade é causada por seus núcleos chamados AGNs (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 Quasares: Distantes, têm as mais altas luminosidades, que dominam a luminosidade da galáxia; com os telescópios mais antigos, não se observava a galáxia, só o núcleo brilhante; hoje sabemos que são núcleos ativos de galáxias com alta taxa de acreção; Telescópio Espacial mostrou a galáxia em torno. Rádio-galáxias: galáxias ativas muito luminosas em rádio (jatos de partículas relativísticas); são raras, habitam galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. : Centaurus A. Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, cujo espectro nuclear é semelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso; observa-se a galáxia hospedeira com facilidade.
Galáxias Ativas Objetos BL Lac: galáxias ativas (rádio-galáxias na sua maioria) observadas ao longo do jato: efeitos de amplificação relativísticos fazem que o espectro seja dominado pelo espectro do jato. LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50% das galáxias pode ter esta atividade, observação com boa resolução espectral e espacial é necessária para ver emissão não-térmica do núcleo
Galáxias Ativas Modelo Unificado para os AGNs O toro de poeira: (concepção artística)
Galáxias Ativas Galáxias Seyfert São na maioria espirais, compõem poucos % de todas as galáxias e são frequentemente acompanhadas por outras galáxias. Elas possuem núcleos brilhantes.
Galáxias Ativas Galáxias Seyfert Circinus Tem starburst (região de intensa formação estelar) em torno do núcleo. Gás sendo expelido da galáxia a partir de ventos das estrelas e possivelmente do disco de acreção.
Galáxias Ativas Centauro A, localizada na constelação do Centauro, é uma das radiogaláxias mais estudadas. Radio-galáxias Observadas diretamente, geralmente têm a aparência de uma galáxia elíptica grande, mas quando observadas em rádio, normalmente apresentam uma estrutura dupla com dois lóbulos emissores localizados um em cada lado da galáxia. Também há presença de um jato de matéria saindo de uma fonte central em seu núcleo, possivelmente de partículas carregadas se movendo em um campo magnético.
Galáxias Ativas Quasares Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar) é um objeto astronômico distante e poderosamente energético com um núcleo galáctico ativo, de tamanho maior que uma estrela, porém menor do que o mínimo para ser considerados uma galáxia. Um único quasar emite entre 100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira com cem bilhões de estrelas.
Galáxias Ativas Blazares O blazar é um corpo celeste que apresenta uma fonte de energia muito compacta e altamente variável, associada a um buraco negro supermassivo do centro de uma galáxia ativa. Mais de 10000 blazares já foram catalogados.
Galáxias Ativas Galáxia Starbust Podem gerar 100 ou mais estrelas ao ano, normalmente em consequência de uma colisão com outra galáxia. Utilizam todos seus gases e poeira em cerca de 100 milhões de anos, período curto comparado a duração de bilhões de anos da maioria das galáxias.
Buracos Negros Observação de órbita completa de estrela (S2) em torno de Sgr A*: BN com 2x10^6 Msol (Genzel et al. Out. 2002)
Buracos Negros Imagem do núcleo da Via Láctea observada com satélite Chandra de raios-x: emissões de energia produzidas por acreção de matéria ao BN supermassivo.
Buracos Negros Resultado de observações com o Telescópio Espacial Hubble: o sbns supermassivos é proporcional à massa do bojo da galáxia
Como pode ocorrer o crescimento do bojo junto com o do BN:
Buracos Negros Época da formação dos BNs supermassivos: junto com as galáxias, quando o Universo tinha uns 2 bilhões de anos de idade. Quasares (observados muito longe, e portanto no passado) são os BN supermassivos em formação: grandes quantidades de energia emitida pela captura de matéria pelo BN.
Buracos Negros Consequências de um BN no centro de uma galáxia Quando uma estrela chegar a uma distância menor do que o raio de maré rt será destruída, sendo parte da matéria capturada formando um disco ou anel que fica orbitando o BN até ser engolida por ele. Para a densidade típica de estrelas no centro das galáxias, frequência destes eventos é de 1 a cada 10.000 anos.
Buracos Negros Observação: Não dá para resolver disco de acreção espacialmente, mas no espaço de velocidades: Perfil da linha de emissão Há do H largo e de duplo pico. Interpretação: Disco de gás girando a alta velocidade (~10000 km/s)
Buracos Negros
Buracos Negros Implicações para o Universo: No futuro as estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de energia, o Universo vai se tornar um lugar frio e escuro, onde as últimas estruturas que vão sobreviver serão os BNs supermassivos...
Conclusão Quasares, Radio Galáxias, Seyfert e Galáxias Ativas em geral: fase na vida de uma Galáxia, em que um BN central está recebendo matéria; Atividade mais intensa, maior taxa de acreção de matéria; BNs supermassivos presentes em toda as galáxias, crescendo junto com elas; na maior parte do tempo estão quietos, pois estão sem combustível ; Combustível pode ser: matéria que flui para dentro de alguma forma, por exemplo interações entre galáxias; uma estrela que passa perto do BN; gás que escorre para o centro ao longo de braços espirais, dando origem a um disco de acreção;
Referências [1] http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/extragal/cap1.pdf, acessado em 28/07/2015. [2] Ensino à Distância Cosmologia: Da origem ao fim do universo 2015, Módulo 2, conhecendo o universo em que vivemos; ed DAED. [3] http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/astro.html, acessado em 28/07/2015 [4] http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/fis02207/gal_ativas.pdf, acessado em 06/08/2015 [5] http://astro.if.ufrgs.br/galax/galax.htm, acessado em 06/08/2015.