Aglomerados de galáxiasProfessor Allan Schnorr Müller

IF/UFRGS

A Via-Láctea é uma galáxia solitária?

A Via-Láctea é uma galáxia solitária?

• Resposta: não!• A Via Láctea possui um

sistema de galáxiassatélites anãs que aorbitam devido à suainteração gravitacional;

• Entre as galáxiassatélites da Via Lácteaestão a Pequena e aGrande Nuvem deMagalhães, visíveis nohemisfério sul.

O Grupo Local

• O Grupo Local é formado pormais de 50 galáxias;

• O Grupo Local possui ≈10milhões de anos luz (≈3 Mpc) dediâmetro;

• As 3 galáxias mais luminosassão M31 (Andrômeda), ViaLáctea e M33 (galáxia doTriângulo);

• M31 e a Via Láctea possuem umsistema de galáxias satélitespróprio;

• 3 galáxias são espirais: ViaLáctea, M31 e M33;

• 14 galáxias são irregulares dediferentes tamanhos

• As demais são galáxias anãselípticas ou anãs esferoidais.

NGC3109: irregular

IC10: irregular

M33: espiral M110: anã elíptica

Anã de Antlia: anã esferoidal

Andrômeda (M31): espiral

M32: anã elíptica

NGC0147: anã esferoidal

Sistemas de galáxias

• Galáxias não estão distribuídasuniformemente no espaço, mastendem a se concentrar emsistemas de todos ostamanhos, onde se encontramligadas gravitacionalmente;

• Esses sistemas são classificadosem duas categorias: grupos eaglomerados;

• Grupos: dezenas de galáxias;• Aglomerados: centenas a mi-

lhares de galáxias.

Grupo de galáxias

• Contém até cinquentagaláxias luminosas (lumino-sidade semelhante à Via-Láctea);

• Massas da ordem de1013Msol em um diâmetrode 1Mpc (≈1022m);

• Galáxias orbitam o centro dogrupo com velocidades daordem de 150km/s;

• São a estrutura de galáxiasmais comum do universo,por volta de 50% dasgaláxias do universo localestão em grupos.

Aglomerados de galáxias

• Contém de centenas amilhares de galáxias lumino-sas;

• Massas da ordem de 1014-1015Msol em uma região dediâmetro de mais de 2Mpc;

• Galáxias orbitam o centro doaglomerado com enormesvelocidades, da ordem de1000km/s;

• No centro de aglomeradosse encontram galáxias elíp-ticas gigantes

• São as maiores estruturasgravitacionalmente ligadasdo universo;

• Por volta de 20% das galáxiasdo universo local estão emaglomerados.

Aglomerado de Virgem

• É o aglomerado degaláxias mais próximo doGrupo Local, a ≈50milhões de anos luz dedistância (≈18Mpc);

• Contém cerca de 2500galáxias (na maioria ga-láxias anãs);

• Possui três galáxias elíp-ticas gigantes: M87, M86e M84;

• Massa: ≈1014Msol;• O grupo local se move em

direção ao aglomerado devirgem a 250km/s.

Aglomerados de galáxias

• No início dos anos 1970, foidescoberto que os aglomerados degaláxias são fontes poderosas de raios-X;

• Essa emissão em raios-X não provémdas galáxias, mas sim de um gás tênueque se encontra entre as galáxias epermeia todo o aglomerado;

• Esse gás é chamado de meio intra-aglomerado;

• O meio intra-aglomerado é composto degás primordial (maioria) e de gás ejetadodas galáxias devido às explosões desupernovas;

• Gás primordial: material que sobroudurante da fase de formação das galáxias,composto de Hidrogênio e Hélio sinte-tizados logo após o Big Bang;

• Gás expulso: rico em elementos pesadoscomo Silício, Níquel, Cálcio e Ferro.

O gás intra-aglomerado

• Relação entre comprimento de onda da luz emitida e temperatura do objeto emissor: raios-X são provenientes deobjetos muito quentes;

• Gás do meio intra-aglomerado tem temperaturas típicas da ordem de 107K, podendo chegar a 108K nosaglomerados mais massivos;

• Nessas temperaturas, o gás está completamente ionizado, isto é, os elétrons não estão ligados aos núcleosdos átomos.

O gás intra-aglomerado

• Qual o mecanismo que origina a emissãoem raios-x? É o processo bremsstrahlung;

• Bremsstrahlung: radiação de freamento.Um elétron (carga negativa), ao passarpróximo a um núcleo atômico (cargapositiva) é freado pela atraçãoeletromagnética. O elétron perde energiacinética via emissão de um fóton;

• Como o fóton escapa do aglomerado, ogás quente perde energia toda vez queum fóton é emitido;

• Ou seja, o gás quente está esfriando viaemissão de raios-x!

• Expectativa: o gás esfria mais rápido ondeo gás é mais denso (maior densidade =>encontros mais frequentes entre elétronse núcleos atômicos);

• Onde o gás quente é mais denso? Nocentro dos aglomerados!

Elétron Fóton

Núcleo atômico

Filamentos de gás frio (vermelho). Crédito: Tremblay et al. 2016

Corrente de Resfriamento

• O gás quente esfria mais rapidamente onde émais denso (centro de aglomerados);

• Gás ideal: um conjunto de átomos que estãoem movimento constante e aleatório, cujasvelocidades médias estão relacionadas com atemperatura - quanto maior a temperatura,maior a velocidade média;

• Então: resfriamento do gás => velocidademédia menor;

• Velocidade média de um gás a 107K: alta osuficiente para átomos resistirem à atraçãogravitacional das galáxias;

• Porém, conforme o gás no centro doaglomerado esfria, a velocidade média cai eem um dado momento os átomos nãoconseguirão mais resistir à atraçãogravitacional;

• Corrente de resfriamento: fluxo de gás emqueda livre em direção à galáxia central doaglomerado.

Filamentos de gás frio (vermelho). Crédito: Tremblay et al. 2016

Corrente de Resfriamento

• Problema: correntes de resfriamento sãoobservadas em alguns poucos aglomerados,porém deveriam ser comuns;

• Algo deve estar esquentando o gás. O quepoderia ser?

Núcleos Ativos de Galáxias

• No centro de galáxias massivas existemburacos negros supermassivos, com massasde milhões a bilhões de vezes a massa do sol;

• Quando esses buracos negros estãoengolindo grandes quantidades de matéria, agaláxia está em uma fase de núcleo ativo;

• Material caindo em direção ao buraco negrolibera enormes quantidades de energia;

• Uma pequena parte das partículas escapa decair no buraco negro, formando um jato departículas com velocidades próximas às daluz;

• Esse jato viaja enormes distâncias, inclusiveescapando da galáxia onde se origina;

• Poderia esse jato aquecer o gás no centro deaglomerados? Sim!

• Como isso aconteceria? Partículas no jato sechocariam com partículas do gás, acelerando-as (maior velocidade => maior temperatura);

• Esse fenômeno é observado?

Jato

Jato

Galáxia central

Gás quente

Jato

Jato

Galáxia central

Corrente de Resfriamento

• Núcleos ativos de galáxiaexplicam porque correntes deresfriamento raramente sãoobservadas;

• Quando corrente de resfriamentotem início, gás cai em direção àgaláxia central;

• Parte do gás alcança o buraconegro supermassivo da galáxiacentral;

• Galáxia entra em fase ativa: jatose choca com gás no centro doaglomerado e o aquece, cessandoa corrente de resfriamento;

• Conclusão: correntes de res-friamento duram pouco tempo,atividade nuclear cessa res-friamento do gás.

Gás quente

Galáxias em transformação: o papel do ambiente

Galáxias espirais:

• Possuem formação estelarsubstancial acontecendo;

• Ainda possuem muito gás;

Galáxias elípticas:

• A maioria das suas estrelas évelha (vermelhas);

• Consumiram quase todo seugás, não formam novasestrelas.

Galáxias espirais vs galáxias elípticas

Bojo

Disco

Anatomia de uma galáxia lenticular

• Tipo intermediário entregaláxias espirais eelípticas no esquema declassificação de Hubble;

• São galáxias com poucogás e poeira e,consequentemente,pouca formação estelar;

• Por consequência, sãoformadas principalmentepor estrelas velhas(semelhante a galáxiaselípticas).

Galáxia isolada

Grupo de galáxias

Aglomerado de galáxias

Morfologia e ambiente

• Relação morfologia ambiente:fração de espirais cai conformeaumenta densidade do ambiente;

• Espirais são comuns em ambientesde baixa densidade como grupos eentre galáxias isoladas;

• Lenticulares são comuns emgrupos e dominantes emaglomerados;

• A fração de elípticas crescesubstancialmente em aglomeradosde galáxias;

• Conclusão: morfologia estárelacionada a densidade;

• Ambientes densos transformamdiscos em esferas?

• Ambientes densos causam perdade gás?

Fusões de galáxias• Fusões podem ser de dois tipos,

dependendo da massa das galáxiasenvolvidas: fusão maior e fusãomenor;

• Fusão maior: Mmaior/Mmenor < 3;• Em uma fusão menor, a galáxia

menos massiva é destruída, suasestrelas se misturam com as dagaláxia mais massivas;

• Em uma fusão maior, as duasgaláxias são completamentedestruídas e a galáxia remanescenteterá uma forma diferente, adepender da quantidade de gás nasgaláxias que se fundiram;

• Onde mais ocorrem: grupos e partesexternas de aglomerados.

Canibalismo galáctico• Através da fricção dinâmica, órbita de

uma galáxia menor vai “encolhendo”até ela se fundir com uma galáxiamaior (tipo de fusão menor);

• Galáxias grandes crescem pela acreçãode várias galáxias menores;

• Estrelas da galáxia menor se juntam aohalo da galáxia maior;

• Mecanismo de formação de galáxiaselípticas gigantes em centros deaglomerados;

• Onde mais ocorre: centro de grupos eaglomerados.

Assédio galáctico• Ocorre quando duas galáxias

passam próximo uma aoutra, mas com velocidadesmuito altas para que sefundam;

• Galáxias tem suas formasdistorcidas e perdem suasestrelas mais externas;

• Ao passar por muitosencontros próximos, umagaláxia pode se tornar anã;

• Onde mais ocorre: centro deaglomerados, onde galáxiasorbitam em altas velocidades(por isso fusões são raras).

Pressão de arraste• Conforme uma galáxia se move ao longo de

sua órbita no aglomerado, o gás no discoda galáxia sofre uma força de arraste porparte do gás quente do aglomerado;

• Como resultado, galáxia tem seu gásarrancado e para de formar novas estrelas;

• Gás que está sendo arrancado é com-primido e novas estrelas se formam natrilha;

• Conclusão: a pressão de arraste trans-forma galáxias espirais em lenticulares;

• Explicação para crescimento do número delenticulares em aglomerados;

• Porém: galáxia muito massivas conseguemresistir à força de arraste;

• Apesar de grandes quantidades de gásquente também existirem entre galáxias deum grupo, esse gás não é denso suficientepara causar força de arraste.

Trilha de gás arrancado

Estrangulamento• Galáxias isoladas ou em grupos possuem

um reservatório de gás quente ao seuredor, no halo;

• Esse reservatório é formado por gásprimordial acretado do meio inter-galáctico e por gás expelido do disco(supernova, ventos estelares);

• Esse gás aos poucos esfria e cai emdireção ao disco (de fato, vemos no haloda Via-Láctea nuvens de gás caindo emdireção ao disco!), abastecendo o discoda galáxia com combustível para formarnovas estrelas;

• Galáxias em aglomerados, porém, têmesse reservatório arrancado pela forçade arraste (mesmo as muito massivas);

• Assim, a galáxia deixa de recebercombustível para formar novas estrelase morrerá uma vez que o gás no discoseja transformado em estrelas.

Aglomerados e matéria escura

Massa de aglomerados

• Como aglomerados estão emequilíbrio, a sua massa pode serdeterminada a partir do Teoremado Virial: 2Ecinetica + Egravitacional = 0;

• Lembrando: galáxias orbitam ocentro do aglomerado comenormes velocidades, da ordemde 1000km/s;

• O astrônomo Fritz Zwicky calculoua massa de aglomerados dessemodo (1933) e concluiu que osaglomerados tinham ≈10 vezesmais massa que a soma dasmassas das galáxias.

• Tipicamente, 3% da matéria totaldos aglomerados está na formade estrelas em galáxias.

Massa de aglomerados

• A temperatura do gás quente é atemperatura necessária para que o gásesteja em equilíbrio com o potencialgravitacional do aglomerado;

• Se o gás fosse muito mais quente, avelocidade das partículas seriasuficiente para escapar do aglo-merado; se ele fosse muito mais frio,ele seria capturado pelas galáxias;

• Assim, calculamos qual a energiacinética do gás baseado na suatemperatura e usamos o Teorema doVirial para calcular a massa doaglomerado;

• A massa de gás quente podemoscalcular a partir da luminosidade emraios-x do aglomerado;

• Tipicamente, 15% da matéria total dosaglomerados está na forma de gásquente.

Lentes Gravitacionais

• Relatividade Geral (Einstein -1915): uma grande concentraçãode massa “curva o espaço”, aponto de fazer a luz seguir umatrajetória curva;

• Imagens de galáxias distantessão deformadas quando sualuz atravessa o intenso campogravitacional de um aglomeradode galáxias.

Lentes Gravitacionais

• O efeito de lentes gravitacionaisocorre em diferentes escalas(lentes podem ser estrelas, galáxias,aglomerados) e diferentesintensidades;

• Como a luz percorre diferentestrajetórias, além das imagensserem distorcidas, elas podem sermúltiplas;

• O efeito depende tanto da massatotal da lente quanto de suadistribuição de massa: podemos usaro lenteamento gravitacional paracalcular a massa de aglomerados.

Anel de Einstein

Cruz de Einstein

Arcos Gravitacionais

Estimativa de massa de aglomerados pelo

lenteamento gravitacional

• O fenômeno de lenteamento gravita-cional é utilizado para mapear a distri-buição total de matéria em galáxias eaglomerados;

• Permitem portanto “ver” a matériaescura, que não interage com a luz eque representa a maior parte da massadesses objetos;

• Quanto maior a distorção nas imagensdas galáxias distantes, maior o poten-cial gravitacional que causou tal dis-torção e, consequentemente, maior amassa do aglomerado;

• Tipicamente, 15% da matéria total dosaglomerados está na forma de gásquente e 3% em estrelas em galáxias;

• Os 82% restantes são matéria escura.

Colisão de aglomerados

• Aglomerado da Bala: colisão entre doisaglomerados;

• Separação entre os componentes:galáxias, gás (rosa, emissão em raios-X),matéria escura (azul, lenteamento gravi-tacional);

• Permite estudo das propriedades damatéria escura;

• Gás deslocado em relação às galáxias:gás interage via gravidade e forçaseletromagnéticas, logo é freado commais força que as galáxias;

• Como galáxias só interagem viagravidade e a matéria escura segue asgaláxias, concluímos que o freamento deambos é igual (ou muito próximo –diferença imperceptível);

• Logo, se as partículas de matéria escurainteragem por outra força que não agravidade, ela deve ser muito fraca (paracausar um freamento mínimo).

Galáxias +matéria escura

Galáxias +matéria escura

Gás quente

Direção domovimento

Direção domovimento

Superaglomerados

• Em escalas ainda maiores queaglomerados e grupos de galáxias, ouniverso se organiza em filamentos evazios (regiões com poucas galáxias);

• Assim como as galáxias, osaglomerados e grupos não estãodistribuídos aleatoriamente noespaço;

• Aglomerados e grupos de galáxias seagrupam em gigantescas estruturaschamadas de superaglomerados;

• O grupo local faz parte dosuperaglomerado de Laniakea (emamarelo na figura);

• O superaglomerado de Laniakea éformado por 100.000 galaxias seestendendo por mais de 160Mpc(520 milhões de anos luz);

• Sua massa aproximada é de 1017Msol.