GALÁXIAS II

Michelle Rosa

rosa-michelle@outlook.com

Universidade Federal do ABC

Ensino de Astronomia no ABC - 2018/2019

Resumo● Definição

● Universo-ilha

● Diversas formas

Como as galáxias surgiram? Elas evoluem?

O surgimentoO 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. Essas zonas se formaram por processos que podiam ser espontâneos.

Através dessas sobredensidades, o gás e a poeira começaram a se contrair, dando origem às primeiras estrelas.

https://www.youtube.com/watch?v=kif4ON6QOPE

O surgimentoA 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.

Diferente das estrelas, galáxias têm tamanhos consideráveis em comparação às distâncias entre

elas.

As distâncias são muito grandes, mas o tamanho das galáxias

também é.

Hubble’s Treasure chestCredit: ESA/Hubble & NASA, RELICS

Text: European Space Agency (ESA

Naufrágios Galácticos Longe da Terra: Estas imagens do ACS do Telescópio Espacial Hubble da NASA em 2004 e 2005 mostram quatro exemplos de galáxias em interação longe da Terra. As galáxias, começando à esquerda, são mostradas em vários estágios do processo de fusão. A linha superior exibe galáxias fundidas encontradas em diferentes regiões de uma grande pesquisa conhecida como AEGIS. Visualizações mais detalhadas estão na linha inferior das imagens. (Crédito: NASA; ESA; J. Lotz, STScI; M. Davis, Universidade da Califórnia, Berkeley; e A. Koekemoer, STScI)›Imagem maior

https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/collision-rate.html

É possível observar galáxias interagindo. Se essa interação ocorre, o

conceito de “universos-ilha” não faz

sentido.

O que pode ocorrer nessa interação?

NGC 2207IC 2163

When Galaxies CollideArp 148 - Constelação da Ursa Maior ~ 500 milhões de anos-luz de distância

Image Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia,

Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Podem ocorrer dois tipos de interação:

● Colisão● Fusão

COLISÃO

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 da gravitação ser uma força conservativa o nome deste efeito foi cunhado graças à dependência desta força com a velocidade do corpo de prova.

Fonte:Glossário de Astronomia. http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/intrcosm/Glossario/FriccaoDin.html

COLISÃO

Fricção DinâmicaImagine 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.

COLISÃO

Fricção Dinâmica

A velocidade 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.

COLISÃO

FUSÃO● 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.

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.

Qual a consequência desse aumento na energia cinética?

Qual a consequência desse aumento na energia cinética?

A galáxia aumenta de tamanhoou

Material é expulso da galáxia

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.

Consequências

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.

Consequências

Em rosa: a corrente magellânica, gás que foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagens pelo disco, e onde se encontram várias galáxias anãs.

Nuvens de Magalhães

Tidal Stripping - Remoção de material por forças de maréGaláxias 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 estrela ultrapassando seu limite de Roche. https://www.youtube.com/watch?v=AcAMw29zXx0

Consequências

Tidal Stripping

A corrente magellânica, a faixa de matéria que vemos na Via Láctea vindo das Nuvens de Magalhães.

Tidal Stripping Os anéis em galáxias de anéis polares, como em NGC 4650A, uma galáxia S0 com anel polar.

Tidal Stripping As faixas de poeira em algumas galáxias elípticas, como a NGC 5128.

Galáxias StarburstSão 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. Formação

Estelar

Consequências

Galáxias StarbustA mancha verde e vermelha nesta imagem é a galáxia mais ativa no universo distante. Apelidada de "Baby Boom", a galáxia produz uma média de até 4.000 estrelas por ano, mais de 100 vezes o número produzido em nossa galáxia, a Via Láctea. Ele foi localizado a 12,3 bilhões de anos-luz de distância por um conjunto de telescópios, incluindo o Telescópio Espacial Spitzer da NASA.

https://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/multimedia/20080710.html

O problema de múltiplos corpos

O problema de múltiplos corpos

Na prática, as interações entre galáxias são muito complexas para serem calculadas analiticamente, já que elas são formadas por milhões de estrelas, além do gás, poeira, matéria escura e o possível buraco negro supermaciço em seu núcleo.

Ainda não temos ferramentas matemáticas que resolvam esse tipo de problema que envolve múltiplos corpos interagindo, conseguimos resolver apenas problemas que envolvem dois corpos.

Assim, recorremos a métodos numéricos: começando com um número de massas puntiformes, cada uma com sua velocidade inicial, e usar a lei da gravitação e a segunda lei de Newton para calcular o movimento de cada uma em pequenos passos de tempo.

O problema de múltiplos corpos

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

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.

O problema de múltiplos corpos

Galáxias Antenas: Simulação x Realidade

O problema de múltiplos 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.

Simulação mais recente das Galáxias Antenas

https://www.youtube.com/watch?time_continue=49&v=D-0GaBQ494E

Como se formou a Via Láctea afinal?

O modelo mais aceito hoje, para explicar a formação da Via Láctea, é o Modelo Hierárquico de Fusões, proposto Searle e Zinn em 1978.

Nesse modelo, estruturas menores se formam primeiro, e vão se fundindo para formar estruturas maiores.

Formação da Via LácteaLogo 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.

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.

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 as forças de maré, dando origem aos Aglomerados Globulares do Halo.

As zonas de densidade mais afastadas eram menores e possuíam uma metalicidade mais baixa. Eram atraídas para o centro.

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 anãs.

Galáxia Anã Fornax

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

https://www.youtube.com/watch?v=VQBzdcFkB7w

Galáxias ElípticasMuitas 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 galáxias espirais, 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 que elípticas são mais frequentes em ambientes densos.

24 April 2008Hubble Space Telescope

Depicts: Abell 901, Abell 902Copyright: NASA, ESA, the

Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration and A. Evans

(University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony

Brook University), K. Noll (STScI), and J. Westphal

(Caltech)

http://sci.esa.int/hubble/42637-merger-stages-of-interacting-galaxies/

Galáxias cDsO 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 concentração de luz na galáxia.

São galáxias gigantes nos centros de Aglomerados de galáxias com tamanhos de até 1 Mpc e centenas de vezes a massa da Via Láctea. Estas galáxias devem ser o auge de fusões de galáxias.

Muitas têm núcleos múltiplos que se orbitam com velocidades muito altas, cerca de 1000 km/s, velocidade muito mais alta que a das estrelas, 300km/s.

Galáxias cDs

Buracos Negros BináriosEm 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

Em NGC 6240, os dois Buracos Negros se encontram a uma distância de ~1

kpc um do outro.

Buraco negro binário em NGC 6240 (raios X), imagem obtida pelo telescópio Chandra

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.

https://www.youtube.com/watch?v=TWqhUANNFXw httpswww.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211a

Em abril de 2019 foi publicada a 1° “imagem direta” de um buraco negro central de uma galáxia.

Melhor dizendo: 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 tamanho igual à distância máxima entre eles.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=87&v=pgRxIJm1wCg

Katie Boumam foi a cientista responsável pelo algoritmo que permitiu transformar os 5 pentabytes de informação armazenados em discos rígidos na imagem do buraco negro.

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

Simulações do disco de acreção estão bem próximas da imagem obtida.

Galáxias AtivasSão 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 direção perpendicular ao disco de acreção, formando os jatos e lóbulos observados em muitas galáxias ativas.

Toda a energia é irradiada antes da matéria cair no horizonte de eventos do buraco negro, pois além desse limite, nada escapa.

Galáxias Ativas

● Quasares● Rádio-galáxias● Galáxias Seyfert

QuasaresUm quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar) é um objeto 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 inteira com 100 bilhões de estrelas como a Via Láctea.

Quasares

O primeiro quasar a ter seu espectro identificado foi 3C 273, pelo astrônomo holandês Maarten Schmidt em 1963. Ele está a aprox.2,2 bilhões de anos luz, e é o mais próximo da Terra.

Best image of bright quasar 3C 273 Credit: ESA/Hubble & NASA

https://www.spacetelescope.org/images/potw1346a/

Rádio-galáxias São galáxias que têm uma emissão em rádio muito intensa, em torno de 10³³ a 10^38 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.

Active Galaxy Centaurus A

Credit: X-ray - NASA, CXC, R.Kraft (CfA), et al.;

Radio - NSF, VLA, M.Hardcastle (U Hertfordshire) et al.; Optical - ESO,

M.Rejkuba (ESO-Garching) et al.

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 lado apontando pra nós aparece muito mais brilhante.

Além disso, o outro lado, chamado contrajato, pode se encontrar atrás de um disco de poeira, o que o torna invisível para nós.

Galáxias SeyfertDescobertas 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, são frequentemente acompanhadas por outras galáxias.

Consegue-se observar a galáxia “hospedeira” com facilidade.

As galáxias mais antigas

Galáxias mais antigas

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.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Hubble_ultra_deep_field.jpg

Galáxias no Início do UniversoApesar 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.

Resumo

● 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:

○ Azul – Ricas em gás Grande formação de estrelas○ Vermelha – Pobres em gás Baixa formação de estrelas

Resumo

● A evolução das galáxias pode acontecer por dois processos:○ 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:○ Azul + Azul = Azul Quando uma galáxia com

grande massa se junta com uma de pouca massa.

○ Azul + Azul = Vermelha Quando as duas galáxias têm massas semelhantes.

○ Vermelha + Vermelha = Vermelha Como ambas têm pouco gás, não haverá formação de estrelas.

O futuro da GaláxiaVimos 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.

Bibliografia e AgradecimentosAgradeço ao professor Dr. Pieter Westera pelos slides disponibilizados em seu site, e também a o ex professor deste curso Yuri Fregnani.

http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/Astro.html

https://lief.if.ufrgs.br/pub/cref/n30_Muller/index2.htm

http://astro.if.ufrgs.br/galax/index.htm

http://www.sbfisica.org.br/v1/portalpion/index.php/noticias/86-primeira-imagem-do-buraco-negro

nasa.gov