Ensino de Astronomia UFABC

Aula: Matéria Interestelar e Estrelas I

Universidade Federal do ABC

Yuri Fregnani

e-mail: fregnani@gmail.com

Como seria o céu noturno sem poluição atmosférica e luminosa - Thierry Cohen - Tokyo 35° 41' 36'' N 2011-11-16 Lst 23:16 http://thierrycohen.com/pages/work/starlights.html#

O Meio Interestelar

O Meio Interestelar

• A importância de se conhecer o meio interestelar, o meio entre asestrelas, é que nele é onde se formam e nascem as estrelas, e épara onde retorna os elementos químicos criados por elas.

• O meio interestelar é feito de:

1% de Poeira Interestelar+

99% de Gás Interestelar

• Esse meio interestelar compõe entre 10% a 15% da matéria visívelda nossa galáxia.

Imagem: Ignacio de la Cueva Terregrosa

Esculturas da poeira na nebulosa Roseta

O Meio Interestelar

• A temperatura no meio interestelar varia depoucos kelvin até milhares de kelvin, a dependerda distância de estrelas ou fontes de radiação.

• Em zonas escuras, sem estrelas próximas, atemperatura média é de 100 K ou -173,2 °C.

• Como comparação, a menor temperatura járegistrada na Terra, foi na Antártida em 2010,quando foi registrado -93 °C.¹

¹ http://www1.folha.uol.com.br/ambiente/2013/12/1383806-antartida-registra-menor-temperatura-da-historia.shtml

O Meio Interestelar

• As galáxias são completamente cheias pelos gás e poeira do meiointerestelar. Porém, a densidade desse meio é extremamente baixa.

• A densidade média do meio interestelar é de:Gás: 1 átomo por cm³

Poeira: 1 partícula para cada trilhão de átomos

• Para termos uma ideia o ar possui 3 × 1019 átomos/cm³.

• Esses materiais são tão finos que se juntássemos todo o gás epoeira do meio interestelar contido em uma esfera do tamanho daTerra, ele caberia dentro de um dedal.

Do que é feito o Meio Interestelar?

• A composição química do gás interestelar ébastante simples, sendo distribuído em:

90% Hidrogênio

9% Hélio

1% Elementos pesados (C, O, Si, Mg, Fe)

• O gás compõe 10% da massa visível da ViaLáctea.

Do que é feito o Meio Interestelar?

• Em oposição, a composição dapoeira interestelar ainda é poucoconhecida, mas há indícios de queseja formada pelos mesmoselementos pesados do gás, mais“gelo sujo”, que é uma misturacongelada de água com amônia,metano e outros componentes.

• Os grãos possuem um diâmetroque varia entre 0.1 a 1 μm. Ocabelo humano chega a ser 80vezes mais grosso, variando entre18 e 80 μm.

• Essa poeira interestelar constitui0,1% da massa da Via Láctea.

Do que é feito o Meio Interestelar?

• A poeira interestelar também desempenha oimportante papel de proteger o gás daradiação.

• Os grãos de poeira aumentam a taxa deformação de moléculas, como o H2, que ao seformar libera energia, esquentando o grão depoeira.

O Meio Interestelar

• O gás e a poeira do meio interestelar nãoficam apenas parados, eles podem seaglomerar.

• Quando isso acorre, surgem novas estruturascom novas características.

• A essas estruturas, damos o nome de NuvensInterestelares.

Nuvens Interestelares

Nebulosas e Nuvens Moleculares

Nebulosa Cabeça de CavaloDistância da Terra: 1.500 ano-luzDescobrimento: 1800

A imagem é uma combinação digital de imagens tiradasem azul, verde, vermelho, e uma imagem feita em luzinfravermelha pela órbita do telescópio espacial Hubble.

Crédito: Aldo Mottino & Carlos Colazo, OAC, Córdoba; Infrared: Hubble Legacy Archive 28 de Julho de 2014 - http://apod.nasa.gov/apod/ap140728.html

Nebulosas

• As nuvens de gás e poeira fazem com o que as estrelasvistas através delas aparentem ter um brilho maisavermelhado.

• Por conta desse efeito na luz, que consegue atravessarmais ou menos as nuvens, classificamos as nebulosas emdois tipos:

• Nebulosas de Emissão e Nebulosas de Poeira.

• Ambas são formadas pelo aglomerado de poeira e gás nomeio interestelar, porém possuem algumas característicaspróprias.

Nebulosas de Emissão

Nebulosas de Emissão

• Nebulosas de Emissão são extremamente raras, representandoapenas 1% das nebulosas existentes.

• Esse tipo de nebulosa brilha através da emissão de radiação.

• Elas possuem ao menos uma estrela muito brilhante recém-formada em seu interior, produzindo radiação UV.

• Essa radiação vinda da estrela, faz com que o gás em sua volta seionize, fazendo com o que o gás passe a emitir luz visível, o quetorna a nuvem brilhante.

• A temperatura nesse tipo de nebulosa pode chegar até 8000 Kpróximo a estrela.

Nebulosa de Emissão em Cepheus

Imagem: Digitized Sky Survey, ESA/ESO/NASA FITS Liberator - 5 de agosto 2012

Nebulosa Pata de Gato – Nebulosa de emissãoBrilha em vermelho devido ao Hidrogênio ionizado.

Imagem: Roberto Colombari and SONEAR Obs.; Color data: Robert Gendler & Ryan Hannahoe - 18 de Junho de 2014

Nebulosas de Poeira

Nuvens de Poeira

Nebulosas de Poeira

• Também chamadas de Nebulosas Escurasrepresentam 99% das nebulosas existentes.

• São regiões bastante escuras do espaçointerestelar, uma vez que a luz não consegueultrapassá-las.

• Sendo muito mais frias que as nebulosas deemissão, são também mais densas, cerca de 10³ a106 vezes mais. Possuem uma média de 1000átomos/cm³.

Nebulosas de Poeira

• A maioria das nebulosas de poeira tem um tamanhomaior que o nosso sistema solar.

• Apesar do nome, a nebulosa é constituídaprincipalmente de gás, assim como o meio interestelar.

• O nome vem do fato de que a absorção da luz ocorredevido à poeira existente na nuvem.

• Essas nebulosas costumam apresentar formasirregulares.

Nuvem Molecular Barnard 68

Como é feita a observação das nebulosas?

• No caso das nebulosas de emissão, podemosdetectar a luz que emitem.

• Esse tipo de detecção nem sempre é possível,seja pela bloqueio da luz por algum motivo ouno caso das nebulosas de poeira.

• Nesses casos, existe outro modo.

Como é feita a observação das nebulosas?

• O método utilizado para detectar asnebulosas que não emitem luz visível, éprocurarmos pela emissão em outroscomprimentos de onda.

• A luz utilizada é na faixa dos 21 cm. Essa luz éemitida pelo H contido na nebulosa.

Nuvem Molecular Barnard 68 vista através do Infravermelho

Nuvens Moleculares

Orion Nebula: The Hubble View

Nuvens Moleculares

• Nuvens moleculares, como o nome indica, sãocompostas predominantemente de moléculas,mas ainda se encontra poeira e gásinterestelar nelas.

• São muito maiores do que as nebulosas deemissão e possuem uma alta densidade,podendo atingir 10¹² moléculas/m³.

Nuvens Moleculares

• Algumas vezes, a detecção por luz visível das nuvens moleculares não é possível e, como contém somente hidrogênio na forma de H2, não se pode detectar por ondas de rádio.

• Para estudarmos essas nuvens, procuramos por outras moléculas presentes, como CO, ácido cianídrico (HCN), H2O e amônia (NH3).

Nuvens Moleculares

• Essas outras moléculas são bilhões de vezes menos abundantes queo H2 dentro das nuvens moleculares, porém, são muitoimportantes para determinarmos a estrutura a as propriedadesfísicas das nuvens.

• Com o estudo dessas moléculas, é possível concluir os seguintesresultados:

• Nuvens moleculares nunca estão isoladas;• Estas formam complexos de até 50 pc de extensão;• Elas contêm gás suficiente para formar milhões de estrelas como o

Sol;• Existem aproximadamente 1000 destes complexos em nossa

Galáxia.

Nuvens Moleculares

• Nuvens moleculares são estruturas muitoimportantes para a evolução do Universo.

• Elas são responsáveis pelo nascimento deplanetas e outros corpos celestes.

• É nelas também que surgem um dos corposcelestes mais interessantes, as estrelas.

O que são estrelas?

O que são estrelas?

Dicionário:

“Estrela é um astro que tem luz e calor próprio e queapresenta um brilho cintilante; nome comum aosastros luminosos que mantêm praticamente asmesmas posições relativas na esfera celeste, e que,observados a olho nu, apresentam cintilação.”

Essa é uma definição realmente precisa?

O que são estrelas?

São esferas massivas e brilhantes degás quente, mantidas íntegras pelagravidade.

Para se manterem vivas, usam comofonte de energia a fusão nuclear emseu interior.

Nascem pela contração de uma nuvemde gás interestelar.

imagens: http://www.redorbit.com/media/gallery/european-southern-observatory-eso/116_bb5542e1066aaa8ce79904fe5e285e34.jpg

Vídeo: Let’s talk about size

https://www.youtube.com/watch?v=Nx1PhtMM2zAn

A vida das estrelas

Como nascem, vivem e morrem

O Nascimento

O Nascimento

• Tudo começa com uma nuvem de poeira,moléculas e gás, chamada Nuvem MolecularGigante. Elas são os “berçários” das estrelas.

• Nesse ambiente, existem tantas moléculas epoeira, que a força gravitacional acaba atraindo-aspara perto uma das outras.

• Quanto mais poeira e mais moléculas se juntam,maior é essa força e mais massa vai seacumulando.

Nebulosa M16 - Pilares da CriaçãoOs pilares, nuvens com cerca de 7 milanos-luz de altura, é um exemplo deNuvem Molecular Gigante.

Crédito: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScl / AURA)

Também conhecidacomo Nebulosa daÁguia, é uma dasimagens mais famosasdo Telescópio Hubble.Foi tirada em 1995.Essa imagem mostraapenas o espectro visívelda luz.

O Nascimento

• A nuvem de gás e poeira é distorcida,perturbada e fragmentada em nuvensmenores pela gravidade, que começa a agirdevido ao acumulo de matéria.

O Nascimento

• Cada fragmentopode seguir umdestino diferentea depender desua massa.

• A gravidadecomeça a forçar anuvem para umúnico ponto,aumentando atemperatura dogás.

O Nascimento

• O gás colapsae começa agirar eachatar,ficando emformato dedisco.

O Nascimento

•O disco começa a girar cada vez mais rápido atraindo mais materiala sua volta, criando um núcleo denso e quente, chamado deProtoestrela. Nesse estágio, a protoestrela ainda não é visíveldevido a estar dentro da nuvem de gás.

• Esse processo demora cerca de ~𝟏𝟎𝟔 anos. O disco protoestelar éo local de formação de possíveis planetas.

Disco protoestelar na Nebulosa de Orion – 29 de dezembro de 1993

Imagem: CR O'Dell / Rice University; NASAhttp://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1994/24/image/b/

Jato Bipolar

Jato Bipolar

O Nascimento

• Os jatos bipolares afastama nuvem que encobria aprotoestrela. É possível vê-la agora.

• Esses jatos ocorrem devidoa grande aceleração damassa que é atraída pelaestrela. Essa massa chega avelocidades suficientespara serem ejetadas pelospolos da protoestrela.

• Podem perturbar outrasnuvens moleculares dandoorigem a novas estrelas.

O Nascimento

Nesse ponto, aprotoestrela jáestá quente osuficiente paracomeçar a fusãode átomos dehidrogênio,criando hélio eenergia. Aestrela nasce.

O Nascimento

• Bilhões de anos depois, a estrela morrerá. O processo demorte e o que vem depois disso, depende, basicamente,da massa que a estrela acumulou em sua formação.

Porque a nuvem molecular colapsa?

• Sabemos que a nuvem é formada de poeira + moléculas + gás e, em geral, elasestão em equilíbrio hidrostático.

• Para que o colapso ocorra, as nuvens devem sofrer algum tipo de perturbaçãoexterna. Essas perturbações podem ser:

• Supernovas;

• Colisões com outras nuvens;• Ondas de radiação de outras estrelas;• Mudanças aleatórias que produzem regiões de maior densidade.

• Uma grande nuvem molecular passa por dois processos antes de formar umaestrela:

1) Fragmentação: a nuvem se fragmenta em pedaços menores com densidadesmédias maiores.

1) Contração (colapso): fragmentos se tornam instáveis gravitacionalmente ecolapsam, formando estrelas.

Condições para o colapso gravitacional

• Se a temperatura T é grande, a nuvem é muitoquente, o que impede de haver o colapso.

• Se a densidade é grande, a gravidade é maior,portanto uma massa menor é necessária.

Sir James Jeans

Porque a nuvem molecular colapsa?

Na próxima aula

• Evolução estelar

• Tipos de estrelas

• Como vivem as estrelas

• Como morrem as estrelas

BÔNUSFotos de nebulosas

Nebulosa da Galinha Fugitiva

Nebulosa do Olho de Gato

Nebulosa Lagosta

Nebulosa Esquimó

Nebulosa de Clownface - Cara de Palhaço

Nebulosa Homúnculos - Homenzinhos

Nebulosa Keyhole - Carina

Nebulosa Bola de Neve Azul

Nebulosa Pelo de Raposa

Nebulosa Red Square - Quadrado Vermelho

Links Interessantes

• Nebulosa de Orion em resolução 4K:

https://www.youtube.com/watch?v=SnnJg0jqr8A

• Galeria da NASA com fotos de nebulosas:

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/photo_gallery/photogallery-astro-nebula.html

• 10 nebulosas com nomes curiosos:

http://super.abril.com.br/galerias-fotos/10-nebulosas-nomes-curiosos-737693.shtml#7

Obrigado!