AULA 15 - Galáxias II

Prof. Vinícius Antunes de ProençaEmail : vinnieantunes@gmail.com

Universidade Federal do ABCEnsino de Astronomia

• 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 sobre-densidades. • Zonas de maior densidade aconteceram por processos que podiam ser espontâneos. • Através dessas sobre-densidades, o gás e a poeira começaram a se contrair, dando origem às primeiras estrelas.

Retrospecto

Retrospecto

• A medida que o gás e a poeira iam se contraindo, começavam a surgir as nuvens protogalácticas. • Porém, somente essas sobre-densidades não explicam o surgimento de todas as galáxias e muito menos suas evoluções. • Assim, precisamos entender como funciona a interação entre essas estruturas.

Retrospecto

• Ao contrário das estrelas, galáxias têm tamanhosconsideráveis em comparação às distâncias entreelas.• As distâncias são muito grandes, mas o tamanhodas galáxias também é.

Retrospecto

Galáxias são muito variáveis

É possível observar galáxias interagindo. Se essa interação ocorre, o conceito de “universos-ilha” não faz sentido.

Galáxias interagem

Há basicamente dois tipos de interação ( mas não só essas )●Colisão●Fusão

Galáxias interagem

Como sabemos, a distância que separa as estrelas é muito grande, logo, quando ocorre uma colisão entre 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.

Fricção Dinâmica

Força exercida em uma estrela em um aglomerado, ou em uma galáxia em um aglomerado de galáxias, na direção oposta ao seu movimento. O efeito se deve ao excesso de objetos que se deslocam na retaguarda do objeto devido à atração gravitacional durante a passagem do corpo. Apesar de ser de natureza diferente que a fricção que conhecemos ( por ser resultado da gravitação e não de forças eletrostáticas), o efeito foi cunhado de fricção por se opor à velocidade

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. Por conta desse acúmulo 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.

Fricção Dinâmica

A velocidade ( do objeto maior em relação ao maior ) com que o corpo atravessa a galáxia influencia a força sentida por ele. Quanto 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. Temos como resultado o corpo menor espiralando pro centro da galáxia maior.

Fricção Dinâmica

Um exemplo disso é o que está acontecendo agora entre as Nuvens deMagalhães e a Via Láctea.As Nuvens de Magalhães já passaram diversas vezes pelo Disco Galáctico da ViaLáctea, e serão completamente incorporadas em nossa Galáxia em 14 bilhões deanos.

Fusão

No caso, isso pode ser visualizado nas correntes de gases arrancados da Grande Nuvem de Magalhães pela interação com a Via Láctea

Fusão

Corrente Magellânica

A fusão é uma das etapas maisimportantes para a formação eevolução das galáxias.● É através da fusão que asgaláxias podem ganhar, ouperder, massa e momentoangular.

Fusão

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.

Encontros Rápidos

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.

Encontros Rápidos

Galáxias não são puntiformes. 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 das estrelas de uma estrela binária ultrapassando seus limites

Tidal Stripping

São um possível resultado da interação entre galáxias. Elas são galáxias com uma taxa de formação estelar extremamente alta. 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.

Galáxias Starburst

Na prática, as interações entre galáxias são muito complexas para seremcalculadas analiticamente, já que elas são formadas por milhões de estrelas,além do gás, poeira, matéria escura e o possível buraco negro supermaciçoem seu núcleo.Ainda não temos ferramentas matemáticas que resolvam esse tipo deproblema que envolve múltiplos corpos interagindo, conseguimos resolverapenas problemas que envolvem dois corpos.Assim, recorremos a métodos numéricos: começando com um número demassas puntiformes, cada uma com sua velocidade inicial, e usar a lei dagravitação e a segunda lei de Newton para calcular o movimento de cadauma em pequenos passos de tempo.

Problemas de N corpos

Para superar isso, é feito o uso de computadores, que conseguem simular vários corpos interagindo, formando um sistema que evolui com o tempo.

Problemas de N 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.

Problemas de N 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.

Simulações de colisões

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

Formação da Via Láctea

Logo após o Big Bang houve flutuações de densidade bastante grandes, de até 10¹² vezes a massa do Sol. Essas flutuações na densidade se contraíram, formando estrelas. Em alguns casos, até mesmo formando aglomerados globulares. Essas estruturas eram praticamente galáxias anãs ( formadas por sobredensidades menores, da ordem de 10⁶ a 10⁸ da massa do sol ). 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.

Formação da Via Láctea

As zonas de sobredensidade 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 ⋍10% dos Aglomerados Globulares sobreviveram às forças de maré, dando origem aos Aglomerados Globulares do Halo.

Formação da Via Láctea

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.

Formação da Via Láctea

Fragmentos longe de qualquer sobredensidade maior talvez sobreviverão “para sempre” como galáxias anã

Formação da Via Láctea

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. Depois de formado o Disco Espesso, o gás que sobrou, ainda mais enriquecido, se manteve no plano com escala de altura ~600 pc.

Formação da Via Láctea

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.

Formação da Via Láctea

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.

Formação da Via Láctea

Formação da Via Láctea

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

Já as elípticas gigantes são provavelmente resultados das fusões de galáxiasespirais, 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 queelípticas são mais frequentes em ambientes densos.

Galáxias Elípticas

O nome “cD” (Central Dominant) vem de uma outra forma de classificar galáxias:a classificação de de Morgan (1958) ou de Yerkes, que é baseada na concentraçãode luz na galáxia.São galáxias gigantes nos centros de Aglomerados de galáxias com tamanhos deaté 1 Mpc e centenas de vezes a massa da Via Láctea. Estas galáxias devem ser o auge de fusões de galáxias.

Galáxias cD

A galaxia eliptica Messier 87

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.

Buracos Negros Binários

Quando os Buracos Negros chegam muito perto, eles se orbitam e emitem ondas gravitacionais, 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.

Ondas gravitacionais

A imagem do disco de acreção. O buraco negro aparece como um círculo escuro circundado por um disco orbital de matéria quente e brilhante que se encontra no centro da galáxia M87. A imagem foi obtida pelo Event Horizon Telescope (EHT), utilizando uma técnica chamada Interferometria de Longa Linha de Base. O método permite que os vários telescópios se conectem, formando um telescópio virtual com resolução que teria com um telescópio do tamanho igual à distância máxima entre eles

Buracos Negros Binários: imagem do disco de acreção

São galáxias cujos núcleos emitem quantidades de energia muito maiores do que as galáxias normais (todo o espectro). Apresentam espectro não térmico ( indica que a fonte dessa radiação é não estelar), e variações muito rápidas em seu brilho, o que indica que a fonte de energia está concentrada numa região muito pequena. Seus centros são chamados “núcleos ativos de galáxias” (AGN, na sigla em inglês)

Galáxias Ativas

Elas têm uma variedade bastante grande de formas e “cores”, mas podem ser descritas por um mesmo processo básico proposto em 1964 por Edwin Ernest Salpeter e Yakov Borisovich Zel'dovich: gás sendo acelerado por um buraco negro supermassivo (milhões de massas solares) central. O gás caindo no buraco negro forma um disco de acreção em rotação, com raio de alguns dias-luz a algumas semanas-luz. À medida que o gás espirala para o centro, ele transforma energia gravitacional em energia cinética, acelerando, aquecendo e liberando enormes quantidades de energia.

Galáxias Ativas

Ao mesmo tempo, parte do gás pode ser ejetada a alta velocidade em direçãoperpendicular ao disco de acreção, formando os jatos e lóbulos observados emmuitas galáxias ativas.Toda a energia é irradiada antes da matéria cair no horizonte de eventos doburaco negro, pois além desse limite, nada escapa.

Galáxias Ativas

Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar, que vem da semelhança óptica com uma estrela ) é umobjeto 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 inteiracom 100 bilhões de estrelas como a Via Láctea.

Quasares

São galáxias que têm uma emissão em rádio muito intensa, em torno de 10³³ a 10³⁸ watts Observadas no óptico, geralmente têm a aparência de uma galáxia elíptica grande, mas, observadas em rádio, apresentam uma estrutura dupla, com dois lóbulos emissores em rádio, localizados um em cada lado da galáxia elíptica, e a distâncias que chegam a 6 Mpc de seu centro. Outra característica das radiogaláxias é a presença de um jato de matéria saindo da fonte central, localizada no núcleo da galáxia.

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 ladoapontando pra nós aparece muito mais brilhante.Além disso, o outro lado, chamado contrajato, pode se encontrar atrás de umdisco de poeira, o que o torna invisível para nós.

Jatos

Descobertas por Carl Keenan Seyfert (1911 - 1960) em 1943, são galáxias espirais com núcleos pontuais muito luminosos, que contém aprox. metade da luminosidade total da galáxia no ótico. São na maioria espirais, mas em uma porcentagem pequena de todas as galáxias ( em relação aos outros tipos ), são frequentemente acompanhadas por outras galáxias. Consegue-se observar a galáxia “hospedeira” com facilidade.

Galáxias Seyfert

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.

Galáxias mais distantes/antigas

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.

Galáxias mais distantes/antigas

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 (se aproximando da Via Láctea a 120 km/s.) 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.

O futuro da Galáxia

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. Sabemos que as galáxias podem apresentar duas tonalidades: Espiral – Ricas em gás Grande formação de estrelas Elíptica – Pobres em gás Baixa formação de estrelas

Resumo

A evolução das galáxias pode acontecer basicamente por dois processos ( mas não só esses ) :

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.

Resumo

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

Resumo

A formação da galáxias e seu tipo dependem da:- a massa da sobredensidade protogaláctica- a eficiência da formação estelar (se sobra gás ou não)- o ambiente (interações com outras galáxias, transferência de momento angular, fusões, ...).

Resumo

O futuro da Galáxia

Bibliografia Slides do Prof. Pieter Westerahttp://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/AstroAula12.pdfGaláxias http://astro.if.ufrgs.br/galax/index.htmColisões de Galáxiashttp://www.astro.iag.usp.br/~gastao/seminarios/ColisoesGalaxs_6_2008.pdf

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