Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II

Universidade Federal do ABC
Jessica Gonçalves de Sousa
E-mail: [email protected]
Ensino de Astronomia UFABC
Aula:
Galáxias II
Formação das Galáxias
A maioria das galáxias se formaram cedo, mas dados do
telescópio Galaxy Explorer (Galex), da NASA, indicam que
algumas galáxias se formaram recentemente ao longo dos
últimos bilhões de anos.
Formação das Galáxias
As duas suposições bases para a maioria das teorias que são
feitas a respeito são:
- Ele (universo) estava repleto de hidrogênio e hélio
- Algumas áreas eram ligeiramente mais densas que outras.
Formação das Galáxias
Os astrônomos acreditam que as áreas mais densas
desaceleraram a expansão ligeiramente, permitindo que os
gases se acumulassem em pequenas nuvens protogalácticas.
Formação das Galáxias
Nessas nuvens, eram formadas as estrelas devido ao colapso
entre gás e poeira.
Formação das Galáxias
A medida que se contraíam, formavam discos giratórios, que
por sua vez atraíam mais gases e poeira com a força da
gravidade e com isso os discos galácticos se formaram, e
dentro deles eram criados mais estrelas.
https://www.youtube.com/watch?v=y29RqyYdknw
Sequência de Hubble
O esquema de Hubble consiste de três sequências principais de
classificação: elípticas, espirais e espirais barradas. Nesse
esquema, as galáxias irregulares formam uma quarta classe de
objetos.
a
núcleo maior,
braços
pequenos e
bem enrolados
b
núcleo e
braços
intermediários
c
núcleo menor,
braços grandes
e mais abertos
Galáxias Espirais
As galáxias espirais, quando vistas de frente, apresentam uma clara
estrutura espiral. Andrômeda (M31) e a nossa própria Galáxia são espirais
típicas. Elas possuem um núcleo, um disco, um halo, e braços espirais. As
galáxias espirais apresentam diferenças entre si principalmente quanto ao
tamanho do núcleo e ao grau de desenvolvimento dos braços espirais.
Assim, elas são subdivididas nas categorias Sa, Sb e Sc, Sd
(Vaucouleurs), de acordo com o grau de desenvolvimento e enrolamento
dos braços espirais e com o tamanho do núcleo comparado com o do
disco.
Galáxias Lenticulares
Existem algumas galáxias que têm núcleo, disco e halo, mas não têm
traços de estrutura espiral. Hubble classificou essas galáxias como S0, e
elas são às vezes chamadas lenticulares. As galáxias espirais e
lenticulares juntas formam o conjunto das galáxias discoidais.
Galáxias Espirais Barradas
Mais ou menos metade de todas as galáxias discoidais apresentam uma
estrutura em forma de barra atravessando o núcleo. Elas são chamadas
barradas e, na classificação de Hubble elas são identificadas pelas iniciais
SB. As galáxias barradas também se subdividem nas categoria SB0, SBa,
SBb, e SBc. Nas espirais barradas, os braços normalmente partem das
extremidades da barra.
Galáxias Espirais Barradas
O fenômeno de formação da barra ainda não é bem compreendido, mas
acredita-se que a barra seja a resposta do sistema a um tipo de
perturbação gravitacional periódica (como uma galáxia companheira), ou
simplesmente a consequência de uma assimetria na distribuição de massa
no disco da galáxia. Alguns astrônomos também acreditam que a barra
seja pelo menos em parte responsável pela formação da estrutura espiral,
assim como por outros fenômenos evolutivos em galáxias.
Galáxias Elípticas
As galáxias elípticas apresentam forma esférica ou elipsoidal, e não têm
estrutura espiral. Têm pouco gás, pouca poeira e poucas estrelas
jovens. Elas se parecem ao núcleo e halo das galáxias espirais.
As galáxias elípticas variam muito de tamanho, desde super-gigantes até
anãs. As maiores elípticas têm diâmetros de milhões de anos-luz, ao passo
que as menores têm somente poucos milhares de anos-luz em diâmetro.
Galáxias Elípticas
Hubble subdividiu as elípticas em classes de E0 a E7, de acordo com o
seu grau de achatamento. Imagine-se olhando um prato circular de frente:
essa é a aparência de uma galáxia E0. Agora vá inclinando o prato de
forma que ele pareça cada vez mais elíptico e menos circular, esse
achatamento gradativo representa a sequência de E0 a E7.
Galáxias Irregulares
Hubble classificou como galáxias irregulares aquelas que eram privadas
de qualquer simetria circular ou rotacional, apresentando uma estrutura
caótica ou irregular. Muitas irregulares parecem estar sofrendo atividade de
formação estelar relativamente intensa, sua aparência sendo dominada por
estrelas jovens brilhantes e nuvens de gás ionizado distribuídas
irregularmente. Ha existência de um disco de gás similar ao das galáxias
espirais e elas também lembram as espirais no seu conteúdo estelar, que
inclui estrelas de população I e II (jovens e velhas)
Grande Nuvem de Magalhães e Pequena Nuvem de Magalhães
Principais Características
Formação das Galáxias
As galáxias diferem bastante entre si, mas a grande maioria têm formas
mais ou menos regulares quando observadas em projeção contra o céu, e
se enquadram em duas classes gerais: espirais e elípticas. Algumas
galáxias não têm forma definida, e são chamadas irregulares. Atualmente
se sabe que as galáxias nascem nas regiões de maior condensação da
matéria escura. A distribuição destas condensações é aleatória.
Há dois fatores neste processo que podem ser responsáveis pelas
diferenças entre as galáxias elípticas e as galáxias espirais.
Formação das Galáxias
O primeiro fator é o momento angular (quantidade de momento giratório)
– as nuvens protogalácticas com maior momento angular podiam girar
mais rápido e formar discos espirais. Em galáxias espirais existe mais gás
e estrelas de todas as idades e metalicidades (as mais jovens tendo
metalicidades mais altas) incluindo a formação estelar atual.
Formação das Galáxias
As galáxias espirais têm diâmetros que variam de 20 mil anos-luz até
mais de 100 mil anos-luz. Estima-se que suas massas variam de 10
bilhões a 10 trilhões de vezes a massa do Sol. Nossa Galáxia e M31 são
ambas espirais grandes e massivas.
Formação das Galáxias
As nuvens com rotação mais lenta podem ter formado as
galáxias elípticas.
As galáxias elípticas tem predominantemente estrelas velhas e
de baixa metalicidade e pouco gás.
Formação das Galáxias
O segundo fator é o resfriamento, nuvens de alta densidade se
resfriavam mais rápido, consumindo todo o gás e poeira na
formação de estrelas, assim não sobrando matéria para um disco
galáctico, por isso que as galáxias elípticas não possuem discos.
Evolução das Galáxias
Nos últimos 20 anos o uso de telescópios modernos, têm
fornecido vários vínculos observacionais para o estudo da
evolução das galáxias.
Observando galáxias remotas, os astrônomos constataram que
no passado havia um grande número de galáxias pequenas,
irregulares e com uma taxa muito alta de formação estelar, que
não existem no universo atual, sugerindo que elas se fundiram
posteriormente dando origem a galáxias maiores.
Evolução das Galáxias
A distância que separam as galáxias parecem imensa, porém os
diâmetros das galáxias são igualmente grandes.
Evolução das Galáxias
Uma equipe de astrônomos utilizaram um instrumento
específico no telescópio Very Large Telescope, mostrando
como há uma forte influência que o meio exerce sobre a
evolução das galáxias.
Evolução das Galáxias
Comparadas às estrelas, às galáxias ficam relativamente perto
uma das outras, podem interagir... E em que isso afeta a
evolução das galáxias?
Evolução das Galáxias
As galáxias podem colidir. Quando colidem, elas na verdade se
atravessam mutuamente – as estrelas que elas contêm não se
chocam.
Evolução das Galáxias
Fusões de galáxias
No caso da Via
Láctea
isto está acontecendo
com as Nuvens de
Magalhães.
Elas já tiveram
várias
passagens pelo Disco
Galáctico, e estarão
encorporadas
na nossa Galáxia
em uns 14 bi. anos
●
Em cor de rosa: a corrente magellanica, gás que foi
arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagens
pelo disco.
Evolução das Galáxias
As estrelas não se chocam devido as imensas distâncias
interestelares que existem.
Porém apenas as estrelas saem íntegras dessa colisão, pois as
galáxias tendem a mudar de forma.
Evolução das Galáxias
Os modelos computacionais mostram que colisões entre
galáxias espirais tendem a resultar em galáxias elípticas. Assim
indicando que colisões em que se resultam em forma de espiral
provavelmente não passaram por colisão.
Evolução das Galáxias
O que pode resultar das colisões:
- novas ondas de formação de estrelas
- supernovas;
- Colapsos estelares que formam os buracos negros, ou buracos
negros supermassivos em galáxias ativas.
Evolução das Galáxias
- Fusões e canibalismo:
Fusões acontece entre galáxias de tamanhos semelhantes.
Canibalismo acontece entre galáxias de tamanhos diferentes.
Evolução das Galáxias
Modelo hierárquico de fusões
É o modelo mais aceito hoje. As estruturas menores se formam
primeiro, e depois fusionam para formar as estruturas maiores,
“de baixo pra cima”.
Evolução das Galáxias
Buracos Negros Binários
Nas fusões de grandes galáxias há a formação de um Buraco
Negro Supermaciço Binário
O Buraco Negro
binário em NGC 6240
nos raios X (Chandra)
Evolução das Galáxias
Buracos Negros Binários
Quando chegam muito perto, se orbitam emitindo ondas
gravitacionais, assim espiralando ainda mais para o centro de
massa.
Evolução das Galáxias
Buracos Negros Binários
Ao fim, os dois se fundem resultando em um Buraco Negro
ainda maior. Há hipóteses que os Buracos Negros centrais de
galáxias gigantes se formaram assim.
Distribuição das Galáxias
As galáxias não se distribuem aleatoriamente ao longo do
universo, elas tendem a existir em aglomerados galácticos. As
galáxias nesses aglomerados se mantêm unidas pela gravitação
e matéria escura.
Distribuição das Galáxias
Aglomerados pobres: contêm menos de mil galáxias.
A Via Láctea e a galáxia Andrômeda (M31) fazem parte de um
grupo chamado Grupo Local, que contêm entre 35 e 50
galáxias.
Distribuição das Galáxias
O Grupo Local, é onde está localizada nossa galáxia. O centro
gravitacional se localiza entre a Via Láctea e Andrômeda. As galáxias do
Grupo local cobrem uns 10 milhões de anos-luz de diâmetro e tem
aparência binária.
Distribuição das Galáxias
Aglomerados ricos: contêm mil ou mais galáxias. O
superaglomerado de Virgem, por exemplo,inclui mais de 2,5
mil galáxia.
Distribuição das Galáxias
Os astrônomos Margaret Geller e Emilio E. Falco descobriram que
as galáxias e aglomerados galácticos não se distribuem de maneira
aleatória, mas se agrupam em paredes (longos filamentos)
entremeados “vazios”, o que faz com que o universo se assemelhe a
uma teia de aranha.
Galáxias Ativas
Quasares: Distantes, têm as mais altas luminosidades, que dominam a
luminosidade da galáxia; com os telescópios mais antigos, não se observava a
galáxia, só o núcleo brilhante; hoje sabemos que são núcleos ativos de galáxias
com alta taxa de acreção; Telescópio Espacial mostrou a galáxia em torno
Rádio-galáxias: galáxias ativas muito luminosas em rádio (jatos de partículas
relativísticas); são raras, habitam galáxias elípticas (fusão de galáxias); Ex. :
Centaurus A.
Galáxias Seyfert: galáxias mais próximas, cujo espectro nuclear é semelhante
aos dos Quasares, mas menos luminoso; observa-se a galáxia “hospedeira”
com facilidade.
Objetos BL Lac: galáxias ativas (rádio-galáxias na sua maioria) observadas ao
longo do jato: efeitos de amplificação relativísticos fazem que o espectro seja
dominado pelo espectro do jato.
LINERs: galáxias com atividade nuclear fraca; quase 50% das galáxias pode
ter esta atividade, observação com boa resolução espectral e espacial é
necessária para ver emissão “não-térmica” do núcleo
Galáxias Ativas
Mostram sinais de atividade violenta em várias partes do espectro. Essa
atividade é causada por seus núcleos chamados AGNs (Energia dos Núcleos
Ativos de Galáxias).
Galáxias Ativas
Elas vêm em uma variedade de formas e “cores”, mas podem
ser descritas por um modelo unificado que afirma que a
atividade é devido a um Buraco Negro Supermaciço no núcleo.
Galáxias Ativas
• A energia dos AGNs vem da acreção de matéria ao Buraco Negro
central: transformação de energia potencial gravitacional em energia
radiativa + cinética dos jatos
• A acreção se dá através de um “disco de acreção”, que se forma
para conservação do momentum angular
Galáxias Ativas
Modelo Unificado para os AGNs
O toro de poeira:
(concepção artística)
Galáxias Ativas
Galáxias Seyfert
São na maioria espirais, compõem poucos % de todas as
galáxias, e são frequentemente acompanhadas por outras
galáxias. Elas têm núcleos brilhantes
Galáxias Ativas
Galáxias Seyfert Circinus
Tem “starburst”
(região de intensa
formação estelar)
em torno do
núcleo. Gás sendo
expelido da
galáxia a partir de
ventos das estrelas
e possivelmente do
disco de acreção.
Galáxias Ativas
Radio-galáxias
Observadas diretamente, geralmente têm a aparência de uma galáxia
elíptica grande, mas quando observadas em rádio, normalmente
apresentam uma estrutura dupla com dois lóbulos emissores localizados
um em cada lado da galáxia. Também há presença de um jato de matéria
saindo de uma fonte central em seu núcleo, possivelmente de partículas
carregadas se movendo em um campo magnético.
Centauro A, localizada na constelação do Centauro, é uma
das radiogaláxias mais estudadas.
Galáxias Ativas
Quasares
Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar) é
um objeto astronômico distante e poderosamente energético com um
núcleo galáctico ativo, de tamanho maior que uma estrela, porém menor
do que o mínimo para ser considerados uma galáxia. Um único quasar
emite entre 100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira com cem
bilhões de estrelas.
Galáxias Ativas
Blazares
O blazar é um corpo celeste que apresenta uma fonte de energia
muito compacta e altamente variável, associada a um buraco
negro supermassivo do centro de uma galáxia ativa. Mais de
10000 blazares já foram catalogados.
Galáxias Ativas
Galáxia Starbust
Podem gerar 100 ou mais estrelas ao ano, normalmente em consequência de
uma colisão com outra galáxia. Utilizam todos seus gases e poeira em cerca de
100 milhões de anos, período curto comparado a duração de bilhões de anos da
maioria das galáxias. Astrônomos acreditam que elas representam uma fase
curta na maneira pela qual as galáxias mudam e evoluem, talvez o estágio
preliminar de uma galáxia ativa.
Buracos Negros
Observação de órbita completa de estrela (S2) em torno de Sgr A*: BN
com 2x10^6 MSol
(Genzel et al. Out. 2002)
Buracos Negros
Imagem do núcleo da Via Láctea observada com satélite
Chandra de raios-X: emissões de energia produzidas por
acreção de matéria ao BN supermassivo.
Buracos Negros
Resultado de
observações com o
Telescópio Espacial
Hubble: o
sBNs
supermassivos é
proporcional à
massa do bojo da
galáxia
Como pode ocorrer
o crescimento do
bojo junto com o
do BN:
Buracos Negros
Época da formação dos BNs supermassivos: junto com
as galáxias, quando o Universo tinha uns 2 bilhões de anos de
idade (idade atual 13 bilhões de anos). Quasares (observados
muito longe, e portanto no passado) são os BN supermassivos
em formação: grandes quantidades de energia emitida pela
captura de matéria pelo BN.
Buracos Negros
Consequências da presença de um BN no centro de
uma galáxia, uma vez que todas parecem ter um:
Quando uma estrela chegar a
uma distância menor do que o
raio de maré rT será
destruída, sendo parte da
matéria capturada formando
um disco ou anel que fica
orbitando o BN até ser engolida
por ele (Rees 1988).
• Para a densidade típica de
estrelas no centro das galáxias,
frequência destes eventos é de 1
a cada 10.000 anos
Buracos Negros
O caso de NGC 1097: estou com sorte?
“Numa observação em 1991 da galáxia NGC1097 (ao fundo),
que está a 50 milhões de anos luz de distância detectei “por
acaso” o disco de acreção que pode ter sido formado pelos
restos de uma estrela capturada pelo buraco negro central.
Próximo episódio talvez só daqui a 10 000 anos!
Nas revistas de divulgação científica saiu: cientista captura
“gritos de despedida” de uma estrela sendo engolida por um
buraco negro supermassivo!”
-Thaísa Storchi-Bergmann
Buracos Negros
Observação:
Não dá para resolver
disco de acresção
espacialmente, mas
no espaço de
velocidades: Perfil da
linha de emissão Hα
do H largo e de duplo
pico.
Interpretação:
Disco de gás girando
a alta velocidade
(~10000 km/s)
Buracos Negros
Observações recentes com o Gemini: sugerem que disco de acreção
está também sendo alimentado por braços espirais nucleares:
Buracos Negros
Conclusão
• Quasares, rádio-galáxias, galáxias ativas em geral: fase na vida de uma
galáxia, em que um BN central está “engolindo” matéria;
• Atividade mais intensa maior taxa de acreção de matéria;
• BNs supermassivos presentes em toda as galáxias, crescedo junto com
elas; na maior parte do tempo estão quietos, pois estão sem “combustível”;
• Combustível pode ser: matéra que flui para dentro de alguma forma, por
exemplo interações entre galáxias; uma estrela que passa perto do BN; gás
que “escorre” para o centro ao longo de braços espirais, dando origem a
um disco de acreção;
Buracos Negros
Implicações da existência de BNs para nós:
(1) podem ser danosos se formarem-se muito perto, pela explosão de uma
supernova, por exemplo;
(2) mas poderiam ser úteis se conseguíssemos “domesticá-los”: fornecem
energia de forma muito eficiente, a partir de qualquer coisa que jogarmos
lá dentro;
Buracos Negros
• Implicações para o Universo:
No futuro as estrelas vão evoluir e esgotar sua fonte de energia, o Universo
vai se tornar um lugar frio e escuro, onde as últimas estruturas que vão
sobreviver serão os BNs supermassivos....
Questionário
1-) A sequência de Hubble consistia em categorizar essencialmente três tipos de galáxias, sendo elas:
a-) Espirais barradas, irregulares e elípticas
b-) Elípticas, espirais e espirais barradas
c-) Espirais, elípticas e discoidais
d-) Espirais, elípticas esféricas e elípticas elipsoidal.
2-) Existem dois fatores que podem ser responsáveis pelas diferenças entre as galáxias elípticas e as galáxias espirais,
esses fatores são:
a-) Condensação de matéria escura e momento angular.
b-) Quantidade de movimento giratório e formação de galáxias ativas.
c-) Momento angular e o resfriamento.
d-) Momento linear e o resfriamento
3-) Edwin Hubble elaborou um dos primeiros e mais simples esquema de classificação de galáxias, para isso ele as
subdividiu em categorias, sendo elas “E0-E7”; “Sa, Sb e Sc”; “So”; “SBa, Sbb e Sbc”, assinale a alternativa que
contém, respectivamente, os nomes dos tipos de galáxias que representam cada uma dessas categorias.
a-) Elípticas, espirais, lenticulares e espirais barradas.
b-) Elípticas, espirais barradas, lenticulares e espirais.
c-) Elípticas, espirais, lenticulares e irregulares.
d-) Elípticas. Espirais, irregulares e espirais barradas.
4-) Vimos nessa aula que as Galáxias Ativas são galáxias que possuem atividade violenta em várias partes do
espectro, essa atividade é causada por seu núcleo (AGNs) e a energia dessa atividade vem da acreção de matéria do
Buraco Negro central da galáxia. Assinale a alternativa que contenha apenas nomes de tipos de Galáxias Ativas.
a-) Quasares, Blazares, Rádio-galáxias, Seyfert
b-) Blazares, quasi-galáxias, Seyfert Circinus, AGN LINERs
c-) Objetos LB LINERs, quasi-stellar, Seyfert, Blazares
d-) AGN quasi-stellar, Circinus Seyfert, Objetos BL Lac, Rádio-LINERs
Fim
Esta imagem a partir de 2009 mostra uma versão atualizada do Hubble Ultra Deep Field. O novo
extremo profunda do campo pode ser considerada uma vista mais pormenorizada de uma porção
dessa imagem.(Credit: NASA; ESA; G. Illingworth, UCO/Lick Observatory and the University of
California, Santa Cruz; R. Bouwens, UCO/Lick Observatory and Leiden University; and the
HUDF09 Team)
Referências
[1] http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/extragal/Cap1.pdf, acessado em
28/07/2015.
[2] “Ensino à Distância Cosmologia: Da origem ao fim do universo 2015”, Módulo
2, conhecendo o universo em que vivemos; ed DAED.
[3] http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/Astro.html, acessado em
28/07/2015
[4] http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/FIS02207/gal_ativas.PDF, acessado em
06/08/2015
[5] http://astro.if.ufrgs.br/galax/galax.htm, acessado em 06/08/2015.