– PDF - Ensino de Astronomia

Universidade Federal do ABC
Jessica Gonçalves de Sousa
E-mail: [email protected]
Ensino de Astronomia UFABC
Aula:
Via Láctea
Galáxia: definição
Uma galáxia é um grande sistema,
gravitacionalmente ligado, que consiste de estrelas,
remanescentes de estrelas (objetos compactos), um
meio interestelar de gás e poeira e um importante
componente apelidado de matéria escura.
Arp 274 é um conjunto de 3 galáxias. Na imagem parece que elas vão se chocar,
mas elas estão separadas por distâncias gigantescas. [Hubble, NASA]
A palavra “galáxia” deriva do grego “galaxias”, literalmente leitoso,
numa referência à nossa galáxia, a Via Láctea.
A galáxia da Via Láctea (Milkyway) possui uma massa de 10¹² massas solares
e um diâmetro da ordem de 100 mil anos-luz e estima-se que possua mais de
200 bilhões de estrelas. A parte mais brilhante da Galáxia fica na direção da
constelação de Sagitário, sendo melhor observável no Hemisfério Sul durante
as noites de inverno, pois é nesse momento que se pode contemplar a porção
central da galáxia.
História da Via Láctea
Originalmente: Uma faixa
de
luz difusa no céu.
Na mitologia grega leite
materna da deusa Hera
jorrado no ceu, quando esta
deu um empurrão ao
menino
mortal Heracles.
Galileu descobriu em 1610
que ela consiste de
estrelas.
Hoje e a nossa Galaxia
(com G maiúsculo) e o
Sistema Solar faz parte.
História do descobrimento da Via Láctea
Os gregos cunharam o termo "galaxies kuklos" , ou "círculo leitoso",
como forma de descrever a Via Láctea. Ela era uma tênue faixa de luz,
mas não se fazia ideia do que ela era composta.
●
Quando Galileu estudou a Via Láctea com o primeiro telescópio,
determinou que ela era composta de numerosas estrelas.
[in“O Mensageiro das Estrelas”,1610].
●
Em 1755, o filósofo prussiano Immanuel Kant já tinha previsto a
natureza da Via Láctea e a existência de outras galáxias: Ele deduziu
corretamente que a Via Láctea é um grande disco de estrelas, que ele
teorizou ter se formado de uma (muito maior) nuvem de gás girando. Ele
também sugeriu a possibilidade que outras nebulosas também sejam
discos de estrelas de tamanho similar.
●
História do descobrimento da Via Láctea
No final do século XVIII, o astrônomo alemão William Herschel (17381822), que já era famoso por ter descoberto o planeta Urano, mapeou a Via
Láctea e descobriu tratar-se de um sistema achatado. Segundo seu modelo,
o Sol ocupava uma posição central na galáxia, mas hoje sabemos que essa
conclusão estava errada.
●
História do descobrimento da Via Láctea
●
A primeira estimativa do tamanho da Via Láctea foi feita no início dos éculo XX,
pelo astrônomo holandês Jacobus Kapteyn (1851-1922).
Em 1922, ele fez suposições mais realistas quanto às magnitudes absolutas e
chegou num modelo da Via Láctea similar ao de Herschel, um esferóide achatado
com densidade de estrelas diminuindo de acordo com a distância ao centro.
●
Em ambos os modelos, o Sol fica perto do centro, por
que ambos não levaram em conta a extinção interestelar, que faz que a
distancia de vista e comparável em todas as direções no
disco, onde fica a poeira.
O Universo de Kapteyn, as elipses são “superfícies de densidade estelar constante” .
História do descobrimento da Via Láctea
Harlow Shapley (1885-1972),estudando a distribuição de sistemas
esféricos de estrelas chamados aglomerados globulares, determinou o
verdadeiro tamanho da Via Láctea e a posição periférica do Sol nela.
●
Shapley descobriu que os aglomerados globulares (=>aula Estrelas 2)
(150 deles), que formam um halo em volta na nossa galáxia, estavam
concentrados em uma direção; poucos deles era visto na direção
oposta.
●
História do descobrimento da Via Láctea
Ele concluiu que o Sol não está no centro de nossa galáxia. Assumindo
que o centro do halo formado pelos cúmulos globulares coincide com o
centro de nossa galáxia, ele deduziu que estamos a 30 mil anos-luz do
centro da Via Láctea, que está na direção da constelação do Sagitário.
●
Este valor está super estimado, pois estamos a cerca de 23000 anosluz.
●
História do descobrimento da Via Láctea
Em 1924, Edwin Hubble usou um grande telescópio (com diâmetro de 100
polegadas) instalado em Mount Wilson, na Califórnia, e descobriu que as
nebulosas em espiral tinham estruturas e estrelas, conhecidas como variáveis
Cefeidas, semelhantes às da Via Láctea (essas estrelas mudam de brilho
regularmente).
●Hubble usou as curvas de luz das variáveis Cefeidas para medir a distância
entre elas e a Terra, e constatou que estavam muito mais longe que os limites
conhecidos da Via Láctea. Portanto, essas nebulosas espirais eram de fato
outras galáxias localizadas fora da nossa.
●
Hubble (direita) com outros dois astrônomos
(Walter Adams, esquerda e James Jeans, médio)
na frente de um telescópio de 100 polegadas do
Monte Wilson.
Galáxias Espirais
●
As galáxias espirais são brilhantes e têm um pronunciado formato de disco,
com gases quentes, poeira e estrelas brilhantes exibidos em seus braços
espirais.
Como as galáxias espirais são brilhantes, respondem pela maioria das
galáxias visíveis, mas acredita-se que representem apenas 20% do total de
galáxias do universo.
●
●
A Via Láctea é uma galáxia espiral de grande porte.
Galáxias Espirais
As galáxias espirais são subdivididas nas categorias Sa, Sb e Sc, de acordo com o grau
de desenvolvimento e enrolamento dos braços espirais e com o tamanho do núcleo
comparado com o do disco.
Espiral normal: forma de disco evidente, com centros brilhantes e braços espirais bem
definidos. As galáxias Sa têm grandes bojos nucleares e braços espirais bem curvados;
e as Sc têm pequenos bojos e braços espirais curvados apenas ligeiramente.
Espiral barrada: um formato de disco evidente, com centro brilhante e alongado e
braços espirais bem definidos. As galáxias Sba têm grandes bojos nucleares e braços
de espiral bem curvados; e as Sbc têm pequenos aglomerados bojos e braços
ligeiramente curvados
a
núcleo maior, braços
pequenos e bem
enrolados
b
núcleo e braços
intermediários
c
núcleo menor,
braços grandes e
mais abertos
Galáxias Espirais
Via Láctea. Indícios
obtidos
recentemente
apontam que a Via
Láctea seja uma
galáxia “SBc”.
Galáxias Espirais
A olho nu, conseguimos observar três galáxias (vizinhas da Via Láctea).
Andrômeda(M31)
Grande Nuvem de Magalhães (LMC)
Pequena Nuvem de
Magalhães NGC292
Galáxias Espirais
M31–Galáxia de Andrômeda. A galáxia espiral mais próxima da Via Láctea. Estimativas
apontam que nela existam mais de 1 trilhão de estrelas.
Morfologia da Via Láctea
Disco Galáctico: a maioria das
200 bilhões de estrelas da Via
Láctea se localiza nele. O disco
se divide nas seguintes partes:
Núcleo:o centro do disco.
Bojo: a área em torno do
núcleo, incluindo as regiões
imediatamente acima e abaixo
do plano do disco.
Braços espirais: São
constituídos de gás e poeira,
estendem-se do centro para
fora. Nosso sistema solar fica
localizado em um dos braços
de espiral da Via Láctea.
Halo: uma região vasta e pouco
iluminada que cerca toda a
galáxia. Ela é composta de
gases quentes e possivelmente
de matéria escura.
Morfologia da Via Láctea
Todos esses componentes orbitam em torno do núcleo e a gravidade os
mantêm unidos.
Como a gravidade depende de massa, seria possível pensar que a maior parte
da massa de uma galáxia fica no disco galáctico ou perto de sua porção central.
No entanto, depois de estudar as curvas de rotação da Via Láctea e de outras
galáxias, os astrônomos concluíram que a maior parte da massa fica nas
porções exteriores da galáxia, como no halo, onde existe pouca luz das estrelas
ou pouca luz refletida pelos gases.
Estimativas:
massa do disco: 2 a 13%
●
massa do bojo: 1 a 6%
●
massa do halo: 81 a 97%
●
Populações Estelares
Quais tipos de estrelas existem em cada parte da Via Láctea?
Walter Baade (1893-1960), contemporâneo de Edwin Hubble no observatório
de Mount
Wilson, estudando a galáxia Andrômeda, notou que podia distinguir claramente
as estrelas azuis nos braços espirais da galáxia, e propôs o termo População I
para estas estrelas dos braços, e População II para as estrelas vermelhas
visíveis no bojo da galáxia e aglomerados globulares (de Shapley).
Atualmente, utilizamos essa nomenclatura mesmo para estrelas da nossa
Galáxia e sabemos que as estrelas de População I são estrelas jovens ,como
o Sol, com menos de 7 bilhões de anos, ricas em metais, isto é, com conteúdo
metálico (qualquer elemento acima do He) de cerca de 2%, enquanto que a
População II corresponde a estrelas velhas, com cerca de 10 bilhões de
anos,e pobre sem metais, isto é, com menos de 1% em metais.
Relação idade-metalicidade
Com o tempo, o meio
interestelar é
enriquecido de
elementos pesados
por estrelas que
“morreram”
(nebulosas
planetárias,
supernovas).
Aglomerados abertos
Deste meio
enriquecido as novas
estrelas se formam.
Novas gerações de
estrelas são mais
ricas em “metais“ que
as anteriores.
Aglomerados globulares
Aglomerados
Aglomerados abertos
(~2000) na maioria no disco
Aglomerados globulares
(~160) na maioria no halo
O Disco Galáctico
O disco é uma estrutura circular achatada, com diâmetro de 30000 pc
(100000 anos-luz) e espessura de ~300 pc, é no disco onde se encontram
os braços espirais da Via Láctea.
●
●
Constituído pela população mais jovem de estrelas (chamada de população
1) de cor azulada, por nuvens de poeira, gás e por aglomerados estelares.
●
As estrelas do disco, têm um movimento de translação em volta do núcleo.
Todas as estrelas que observamos no céu noturno, estão localizadas no
disco galáctico.
O Disco Galáctico
O bojo, que contém o núcleo, é uma região esférica de 2000 pc* de raio,
envolvendo o núcleo, é constituído principalmente por estrelas do tipo
população 2 (estrelas velhas). Esta região da galáxia é rica em elementos
pesados pesados. Também estão presentes aglomerados globulares. O Sol,
localizado em um dos braços espirais, orbita o centro da Galáxia, a uma
distância de ~8500 pc. Se pudéssemos ver a nossa Galáxia “de cima”,
provavelmente ela pareceria como a galáxia NGC 2997, mostrada na figura
abaixo. Da nossa posição, junto ao Sol, a parte da Galáxia interna ao Sol é vista
de perfil, tendo portanto a forma de uma faixa luminosa.
*parsec é ~3.26 anos-luz ou ~30 trio. km
(3x10¹³ km)
NGC 2997
Via Láctea- Telescópio COBE
O Disco Galáctico
os braços espirais não são muito mais densos que o resto do disco
(só um pouquinho), mas são muito mais brilhantes, por causa da formação
estelar.
formação dos braços espirais: ondas de densidade ligeiramente elevada se
propagando pelo disco,
onde o gás é comprimido e ocorre formação estelar (=> aula Estrelas I)
muitas incertezas ainda sobre o origem destas ondas
Núcleo (ou centro) Galáctico
A parte mais difícil de observar da Via Láctea é o Centro, escondendose atrás de poeira valendo~30 magnitudes de extinção no ótico, na
constelação de Sagitário.
Melhor observável em comprimentos de ondas mais longas, λ> 1 μm
Observando na banda K, λ~ 2.2 μm, dá pra ver um aglomerado denso
de estrelas velhas.
Núcleo (ou centro) Galáctico
Nesta região, as estrelas orbitam algum centro de massa(chamado Sagitário A*
(SgrA*)) tão rapidamente que dá pra observar o movimento.
•A estrela mais próxima do Centro Galáctico, S2, orbita SgrA* em apenas 15.2
anos, chegando a 120 UA do Centro. Em comparação, plutão tem um afélio de 49
UA.
•A única explicação que conhecemos para um objeto tão denso e escuro é um
Buraco Negro Supermaciço, em contraste aos Buracos Negros Estelares
(=>próxima aula) formados na morte de uma estrela, de massas bem menores.
Braços espirais
Até 1953 não se conhecia a existência de braços espirais na Via Láctea, pois
a visualização das espirais era ocultada pela poeira interestelar e dificultada por
ser feita do interior da própria galáxia.
Até 2008 acreditava-se que possuía 4 braços, mas imagens reveladas pelo
telescópio Spitzer revelaram que ela pode não ser exatamente assim.
Braço de Perseu
●
Braço de Norma
●
Braço de
Centauro
(CruzScutum)
●
Carina-Sagittarius
●
Braço de Órion
●
Braços espirais
Robert Benjamin da Universidade de Wisconsin-Whitewater sugeriu que a Via
Láctea possui apenas dois braços estelares principais: o braço Perseu e o
braço Scutum-Centaurus.
Os demais braços foram reclassificados como braços menores ou ramificações
Halo
O halo tem uma forma esférica e é constituída por partículas ultra excitadas a
alta temperatura, anãs vermelhas, anãs brancas e por aglomerados globulares,
que estão em órbita em torno do centro de massa galáctica.
O halo não é observável opticamente. As estrelas que formam os aglomerados
globulares (de forma esférica) são as mais antigas da galáxia. Supõe-se que
sua estrutura seja gigantesca.
A sua massa gira entre 5 ou 10 maior do que a massa restante da galáxia. Sua
forma, seus componentes e seus limites no espaço intergaláctico são
desconhecidos até o início do século XXI, e muitas das afirmações a cerca do
halo são especulações científicas.
Halo
Do que consiste a Materia Escura?
Anos 80: debate MACHOs <=> WIMPs
- MACHOs (ingl. MAssive Compact Halo
Objects,
objetos do halo massivos e compactos, ou
machoes):
- Anas Marrons
- “Jupiters”
- Estrelas comuns, mas de baixo brilho
- Anas Brancas
- Estrelas de Neutrons
- Buracos Negros
Halo
Do que consiste a Materia Escura?
Anos 80: debate MACHOs <=> WIMPs
- WIMPs: particulas massivas interagindo pela forca
fraca
(do ingles Weakly Interacting Massive Particles;
a palavra inglesa wimp também significa chorão)
- particulas elementares interagindo com o resto da
materia so pela forca fraca e pela gravitacao,
p. e. neutrinos, as particulas preditas pela teoria
de supersimetria, ou outras.
=> praticamente invisíveis.
Era, entao um debate machoes vs. chorões.
Do que consiste a Materia Escura?
Como detectar os MACHOs?
Pelo efeito lente, consequencia
da Relatividade Geral:
Luz e defletida por massa.
Quando um MACHO passa na
frente de uma estrela de fundo,
a luz da estrela e focada na Terra
=> A estrela parece mais brilhante
por algumas horas ou dias.
Por ser um efeito fraco (comparado ao
efeito devido a galaxias ou
aglomerados)
se fala de microlensing.
Pela curva de luz da estrela de fundo
pode-se determinar a massa do
MACHO.
Curvas de luz de uma estrela
durante
um evento de microlensing
Do que consiste a Matéria Escura?
O Projeto MACHO
Observaram 12 mi. estrelas na
Grande Nuvem de Magalhaes
de
1992 a 1998 com um telescopio
no observatorio Mt. Stromlo
na Australia.
Detectaram entre 13 e 17
eventos de microlensing.
=> Estimativa do numero total
de MACHOs na Via Lactea.
Determinando as massas
destes
MACHOs, consegue-se estimar
a massa total de MACHOs em
nossa Galaxia.
Do que consiste a Matéria Escura?
MACHOs ou WIMPs, então?
O Projeto e outros, similares, detectaram vários
MACHOs
=> eles existem,
mas de longe nao em numero/massa suficiente para
explicar a Matéria Escura na Via Láctea
(compoem menos de 1 % do numero suficiente).
=> A Matéria Escura deve consistir na maioria de
WIMPs,
partículas elementares ainda não detectadas.
Os chorões derrotaram os machões!
Evolução das galáxias –Via Láctea
As galáxias não agem sozinhas. A distância que as separa parece imensa, mas
os diâmetros das galáxias são igualmente grandes. Comparadas às estrelas, as
galáxias ficam relativamente perto uma das outras. Podem interagir e,o mais
importante, colidir.
NGC 6050 e IC 1179
Quinteto de Stephan
(NGC7319, NGC7318a, NGC7317, NGC7320)
Evolução das galáxias –Via Láctea
Quando as galáxias colidem, elas na verdade se atravessam mutuamente – as
estrelas que elas contêm não se chocam, devido às imensas distâncias
interestelares. Mas as colisões tendem a distorcer af orma de uma galáxia.
Antennae Galaxies
NGC 4038 e NGC
4039.
Evolução das galáxias –Via Láctea
A Via Láctea e Andromeda irão colidir frontalmente em 3,75 bilhões de anos, as
duas galáxias estão a 2,5 milhões de anos-luz de distância uma da outra.
Ambas são galáxias espirais, e ao colidirem, (já em 7 bilhões de anos) elas
formarão uma enorme galáxia elíptica.
Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea
As galáxias não se distribuem aleatoriamente pelo universo – tendem a
existirem aglomerados galácticos. As galáxias nesses aglomerados se
mantêm unidas pela gravitação einfluenciam umas às outras.
Aglomerados pobres-contêm menos de mil galáxias. A Via Láctea e a galáxia
de Andrômeda (M31) são parte do Grupo Local, que contém algo entre 35 e 50
galáxias.
Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea
O grupo Local é o grupo de galáxias que inclui nossa Galáxia, a Via Láctea. O grupo
tem o centro gravitacional localizado entre a Via Láctea e a galáxia de Andrômeda.
As galáxias do Grupo Local cobrem uns 10 milhões de anos-luz de diâmetro e tem uma
aparência binária. A massa total do grupo é estimado em 1,29×10¹² massas solares. O
próprio grupo é um dos muitos em todo o Superaglomerado de Virgem.
Distribuição das galáxias próximas à Via Láctea
Aglomerados ricos – contêm mil ou mais galáxias. O superaglomerado de
Virgem, por exemplo, inclui mais de 2,5 mil galáxias e se localiza a cerca de 55
milhões de anos-luz da Terra.
“Reconhecer que cada molécula que constrói
nosso corpo, e os átomos que constroem as
moléculas, podem ser rastreados até os núcleos
incandescentes de estrelas de alta massa que
explodiram e lançaram seus interiores
quimicamente ricos na Galáxia, enriquecendo
quimicamente nuvens de gás primordiais com a
química da vida. Desta forma, estamos todos
conectados: biologicamente uns com os outros;
quimicamente com a Terra e atomicamente com
o resto do universo. Isto é maravilhoso. Isto me
faz sorrir e, na verdade, isto me traz uma
sensação de grandeza. Não que sejamos
melhores que o universo, nós somos parte dele.
Estamos no universo e o universo está em nós.”
Neil deGrasse Tyson
O catálogo de objetos difusos de Messier (1758-1782)
Referências
Kepler de Souza Oliveira e Maria de Fátima; “Astronomia & Astrofísica”,
editora Livraria da Física editora
Pieter Westera, Noções de Astronomia e Cosmologia, in
http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/Astro.html
José Roberto Costa, Astronomia no Zênite, Via Láctea, in
http://www.zenite.nu/
Sueli M. M. Viegas e Fabíola de Oliveira; “Descobrindo o Universo”,
editora edusp