O Universo como laboratório - Observatório do Valongo

I Curso Introdução à Astronomia – Janeiro 2017
Galáxias e Cosmologia
Daniel R. C. Mello
Observatório do Valongo - UFRJ
Nesta aula veremos:
O
que são Galáxias?
A estrutura e os tipos de galáxias;
 Interação, aglomerados, distâncias e dimensões;
 A nossa galáxia: a Via Láctea
 Aspectos da nossa galáxia;
 Estrutura e dimensões.
Nesta aula veremos:
O
que é Cosmologia?
Aspectos gerais do universo;
O Big Bang e o Universo em expansão;
Passado e futuro do universo.
O que são Galáxias?
Antes de responder a esta pergunta, vamos ver
como surgiu esta história de galáxias?
Nada na história da ciência surge da noite para o
dia. Alguns ramos do conhecimento demoram
séculos e séculos para amadurecer na cabeça do
homem. Isto é um fato para a Astronomia das
Galáxias.
Além disso, a investigação das galáxias está
relacionada com as próprias dimensões do
universo.
O que são Galáxias?
Os astrônomos antigos ao olhar para o céu já
notaram a presença desta estrutura:
O que são Galáxias?
Aparentemente parecia uma estrutura com
formato filamentoso e difuso, mas que ainda era
misteriosa para os antigos;
Os astrônomos da Grécia antiga foram os
primeiros a chamar este “caminho” no céu de Via
Láctea. O termo galáxia vem do grego (galaktikos)
que significa “branco leitoso”;
Ainda no começo do século XVIII os astrônomos
não sabiam nada a respeito das galáxias.
Aparentemente a Via Láctea era a única.
O que são Galáxias?
Galileu em 1610 foi o primeiro a mostrar que o
“caminho” difuso da Via Láctea era constituído de
estrelas, muitas estrelas;
A partir de 1750 com a melhoria das qualidades
dos telescópios, objetos difusos diminutos
começaram a ser descobertos: as nebulosas;
O filósofo e matemático Immanuel Kant foi o
primeiro a supor que as nebulosas eram na
verdade verdadeiras ilhas do universo contendo
muitas estrelas;
O que são Galáxias?
O que são Galáxias?
No ínicio do séc. XX Hubble
mediu distancia para algumas
nebulosas espirais, incluindo a
então
“nebulosa”
de
Andrômeda.
O que são Galáxias?
Espirais
Gasosas
Os astrônomos se convenceram
então de que as nebulosas
espirais não eram nebulosas
mas sim Galáxias contendo
inúmeras estrelas como nossa
própria galáxia, a Via Láctea.
O que são Galáxias?
A partir de Hubble o estudo das galáxias se
tornou um ramo diferenciado da astronomia.
Então agora podemos definir o que são galáxias:
São estruturas imensas, gravitacionalmente
ligadas contendo gás, poeira e milhões ou
bilhões de estrelas.
Mas elas são todas do mesmo formato espiral?
Estrutura das Galáxias
Tipos de Galáxias
Parece que as galáxias possuem tipos bem
diversificados, não é?
Na verdade elas podem ser divididas em três tipos:
 Galáxias espirais;
 Galáxias elípticas;
 Galáxias irregulares
Esta classificação também foi proposta por Hubble.
Tipos de Galáxias
As galáxias espirais são aquelas em que são visíveis
os braços espirais (vistas dos polos). Normalmente,
quando vista de perfil, elas são achatadas na forma
de disco.
Tipos de Galáxias
Uma galáxia espiral típica, a galáxia do sombrero:
Tipos de Galáxias
As galáxias espirais (juntamente com as
irregulares) contêm mais gás e poeira que as
galáxias elípticas e portanto, são nelas que a
formação de estrelas está ocorrendo com maior
frequência;
Os cálculos também mostram que elas possuem
tamanhos variando de 15 mil a 100 mil anos-luz;
A grande maioria das estrelas dessas galáxias são
de tipo A, F, G e K e estão quase todas no disco e
no bojo da galáxia.
A nossa Galáxia: a Via Láctea
Como observamos a Via Láctea de dentro, fica difícil
observá-la por completo na luz visível pois grande
quantidade de poeira, gás e estrelas nos impedem de
enxergar a região central e o outro lado da galáxia. No
entanto, com infravermelho e com as ondas de rádio é
possível termos ideia da estrutura da nossa galáxia:
A nossa Galáxia: a Via Láctea
A Via Láctea possui ao menos 4 braços espirais. Não se
sabe ao certo como os braços espirais se formaram e
como eles se mantêm. A teoria mais aceita é que eles
são formados por ondas de densidade que “flutuam” no
disco da galáxia.
A nossa Galáxia: a Via Láctea
Os estudos têm mostrado que as dimensões da nossa
galáxia são:
Diâmetro do disco: ~ 165 mil anos-luz;
Diâmetro do Halo: maior que 200 mil anos-luz;
Diâmetro do bojo: cerca de 10 mil anos-luz;
Distância do Sol ao centro galáctico: 28 mil anos-luz;
Massa: 1011 – 1012 massas solares;
Número de estrelas: ~ 200 bilhões.
Essas medidas são obtidas com a observação de diversos
objetos na galáxia como conjunto de estrelas, nebulosas
e ondas de rádio emitidas por estes objetos.
Tipos de Galáxias
As galáxias elípticas têm, como o próprio nome diz,
formatos elípticos; São galáxias velhas;
Elas têm brilho bem homogêneo com pequena
concentração central. As galáxias elípticas são as
maiores galáxias conhecidas (3 milhões de anosluz);
Tipos de Galáxias
Tipos de Galáxias
As galáxias irregulares não possuem forma definida
e são as menores galáxias existentes:
Tipos de Galáxias
As galáxias irregulares não possuem forma definida
e são as menores galáxias existentes;
As dimensões das galáxias irregulares estão na
faixa de 3 - 30 mil anos-luz;
Elas contêm bastante poeira e gás como as galáxias
espirais e podem formar novas estrelas. Estas
estrelas possuem na sua maioria tipos espectrais A
e F.
Aglomerados e Grupos
Será que as galáxias vivem isoladas ou estão em
grupos?
A partir dos anos de 1930 percebeu-se que as
galáxias se agrupam em estruturas conhecidas
como grupos e aglomerados de galáxias.
Aglomerados e Grupos
Grupos de galáxias contêm de dezenas a centenas
de galáxias unidas pela gravidade. Já aglomerados
podem conter milhares de galáxias.
A Via Láctea pertence a um grupo de galáxias
chamado de Grupo Local. Ele contêm cerca de 40
galáxias distribuídas em um volume de cerca de 3
milhões de anos-luz cúbicos.
Aglomerados e Grupos
NGC 147
Principais galáxias do Grupo Local.
Fornax
NGC 185
Andrômeda
M 33
Sculptor
Nossa
Galáxia
G
P
Nuvens de
Magalhães
IC 1613
Aglomerados e Grupos
Aglomerados de galáxias contêm milhares de
galáxias e são estruturas gigantescas no universo.
O aglomerado de galáxias mais próximo da Terra é
o aglomerado da constelação de Virgem que
contem cerca de 2500 galáxias, onde as maiores
são galáxias elípticas;
Estima-se que o Grupo Local esteja sendo
fortemente influenciado gravitacionalmente pelo
aglomerado de Virgem.
Aglomerados
AglomeradoseeGrupos
Grupos
Região central do aglomerado de Virgem
Aglomerados
AglomeradoseeGrupos
Grupos
Região central do aglomerado Abell 1689 – 2.5 bilhões de anos-luz
Superaglomerados
Superaglomerados de galáxias contêm milhares de
galáxias e são resultados da atração gravitacional
entre aglomerados. Dentro da hierarquia do
universo, os superaglomerados e os filamentos de
galáxias são as maiores estruturas do universo;
O aglomerado de Virgem e o Grupo Local formam
o Superaglomerado Local de galáxias. Nesta escala,
a Via Láctea é apenas uma galáxia simples, bem
menor que as outras tantas do superaglomerado;
Os superaglomerados possuem dimensões da
ordem de 100 milhões de anos-luz.
Superaglomerados
Os aglomerados e superaglomerados estão distribuídos,
localmente, de forma heterogênea no universo, formando
filamentos.
Interação entre galáxias
Os aglomerados e superaglomerados estão em
constante interação e seus membros, as galáxias,
podem
por
vezes
praticar
verdadeiro
“canibalismo”.;
A colisão entre galáxias é auxiliada pelo efeito de
maré, o mesmo efeito entre a Terra e a Lua. Este
efeito distorce as galáxias, rompe os braços
espirais, fragmenta uma galáxia em duas ou três,
funde duas galáxias em uma, mas pode favorecer a
formação de novas estrelas nas galáxias mães.
Interação entre galáxias
Interação entre galáxias
Interação entre galáxias
Nossa galáxia, a Via
Láctea está em
processo de fusão ou
colisão com a galáxia
de Andrômeda.
Nossa
Galáxia
G
P
Nuvens de
Magalhães
Andrômeda
Os estudos dos movimentos das
galáxias do Grupo Local mostram
que, provavelmente, vão colidir
daqui a 5 bilhões de anos.
Galáxias: conexão estrelas - universo
Mas por que estudar as galáxias?
As pesquisas em galáxias estão relacionadas com
a estrutura em larga escala do universo,
Conhecer a distribuição das galáxias implica em
investigar o universo e seus limites;
As pesquisas estão conectadas com um ramo
muito frutífero e multidisciplinar da astronomia:
a
cosmologia.
Cosmologia
O que vem a ser cosmologia?
A cosmologia é um ramo da astronomia (e da
física) que estuda (ou investiga) a história,
estrutura , dinâmica e composição do universo.
A cosmologia está interessada nos processos em
grande escala do universo, mas também usa os
conhecimentos da física das partículas
(microfísica) para investigar a composição e
origem do universo.
Cosmologia
Mas quais as perguntas chaves
cosmologia está investigando?
que
a
 Quão imenso é nosso universo?
 Nosso universo teve origem em um tempo
definido ou existe para todo sempre?
 Nosso universo possui uma fronteira ou ele é
infinito?
 Como o universo se mostrará aos nossos
olhos no futuro?
 De que é feito o universo ou será que sua
composição foi sempre a mesma?
Cosmologia
Realmente não eram perguntas simples para os
filósofos antigos e ainda não o são para os
astrônomos e físicos do séc. XXI.
Isto advém do fato de que era impossível (e
ainda é) coletar, com base nas observações,
todas as informações de todos os componentes
do universo.
Para tentar “sondar o infinito” os astrônomos,
físicos e filósofos criaram idealizações, teorias
ou modelos de como o universo poderia
funcionar.
Cosmologia
As idealizações ou teorias sobre o universo
são conhecidos como modelos cosmológicos.
Visão de universo da era medieval: a Terra no centro e
além da redomas das estrelas, as trevas.
Cosmologia
Os modelos cosmológicos até o nascimento da
astronomia moderna no século XV eram
simples, ingênuos.
O “quadrado mágico” Copérnico-Galileu-KeplerNewton nos forneceram uma nova visão do
universo no séc. XVI: o heliocentrismo.
Cosmologia
No séc. XVIII a Via Láctea era o limite do nosso
universo, mas alguns já imaginavam modelos
para descrever outros universos, como na
hipótese dos universos-ilhas;
Apesar das grandes descobertas na astronomia
do séc. XIX, a cosmologia era não mais que fértil
filosofia até as primeiras décadas do séc. XX;
Entretanto, até o final do séc. XIX, um fato
aparentemente despercebido começou a
incomodar muitos astrônomos: a escuridão da
noite.
Cosmologia – O paradoxo de Olbers
Kepler, Halley, entre outros, já haviam chamado
a atenção pelo fato de que a escuridão da noite
evidencia algo muito profundo sobre o universo:
ele é finito ou infinito?
Cosmologia – O paradoxo de Olbers
Em 1823, Henrich Olbers estudou o problema
de maneira mais detalhada e devido à ideia do
séc. XIX de um universo infinito e eterno, a
escuridão da noite foi entendida como um
paradoxo, aparentemente sem solução. Ele ficou
conhecido como paradoxo de Olbers.
Se o universo é infinito, a noite deveria ser tão
clara como o dia, já que haveriam infinitas
estrelas no céu noturno.
Cosmologia moderna
O paradoxo de Olbers foi o primeiro grande
desafio para a investigação dos grandes enigmas
do universo. Foi o primeiro grande problema
que permitiu ao homem a busca por respostas
mais precisas sobre as dimensões e história do
universo.
A partir de 1915 novas teorias e novas
observações mudariam a história da física e
fundariam a cosmologia moderna.
A Cosmologia moderna
Em 1915 o físico alemão Albert Einstein fundou
as bases da moderno cosmologia teórica ao
desenvolver sua teoria da relatividade geral.
A teoria tem por base que a
gravidade é um ente geométrico e
deforma o espaço e o tempo. A
ideia de gravidade de Newton
como ação invisível foi abalada.
A ideia é que a matéria deforma a geometria do
espaço produzindo o efeito de atração ou desvio
dos corpos, gerando o campo de gravidade.
A Cosmologia moderna
Na visão da teoria da relatividade geral a massa
do Sol é quem deforma o espaço em torno dele,
ou seja muda a geometria do espaço/tempo
fazendo com que os planetas sejam por ele
“desviados”.
A Cosmologia moderna
A teoria da relatividade (TR) foi a primeira
ferramenta matemática que permitiu a
descrição do universo: a geometria do universo
estava então relacionada a sua quantidade de
matéria.
Em 1919 as ideias de Einstein foram
comprovadas em observações de eclipses no
Brasil e na costa africana.
Einstein e colaboradores começaram a usar as
equações da TR para investigar o passado e
predizer o futuro do universo.
A Cosmologia moderna
Até o final dos anos 1920 Einstein defendeu um
modelo em que o universo era estático, ou seja,
nem se contraia, nem se expandia.
Entretanto, em 1929 uma descoberta
fundamental mudaria a visão de Einstein e de
todos os astrônomos sobre o universo: a
expansão do universo.
Edwin Hubble e seu colaborador Milton
Humason foram os responsáveis pelas
observações.
Cosmologia – Universo em expansão
Ao observar as galáxias e
medir suas velocidades
de afastamento, eles
perceberam que as mais
próximas da Terra se
afastam devagar e as
mais distantes tinham as
maiores velocidades de
Hubble e as galáxias
afastamento.
Isto levou a conclusão que o universo não era
estático, mas estava em expansão, aumentando
de tamanho
Cosmologia – Universo em expansão
Uma forma de imaginar o universo expandindo
é fazer uma analogia com um balão soprado. A
medida que este enche, os corpos na superfície
se separam pela expansão do gás.
Cosmologia – Universo em expansão
Mas será que a teoria da relatividade (TR) estava
errada com a descoberta do universo em
expansão?
A resposta é não. A TR continha vários outros
modelos ou soluções possíveis de universo em
expansão. Os cenários para explicar o universo
se tornaram mais diversificados.
Se o universo está em expansão, deve ter havido
um momento no passado em que toda sua
matéria estava concentrada em um ponto,
certo?
Cosmologia – Universo em expansão
O astrofísico F. Hoyle, na década de 1940,
utilizou o termo Big Bang para denominar o
universo justamente no seu momento de
criação. Segundo ele o universo teria se
originado de uma “grande explosão”, no
momento em que a matéria foi gerada e o nada
deu lugar ao universo, que desde este momento
começou a expandir.
Esta visão do Big Bang foi sendo testada e
aprimorada com o tempo e sempre
novas perguntas foram surgindo.
Cosmologia – Universo em expansão
Os modelos do Big Bang começaram a descrever
como as características físicas do universo como
temperatura, energia e composição variavam no
tempo;
O ser humano pôde então a começar a
reconstruir de maneira teórica a história do
universo;
Neste ramo, a física nuclear é muito importante
para impor restrições nos modelos.
História do Universo
Cosmologia – O futuro do Universo
Quais as fortes evidências a favor da teoria do
Big Bang?
1- A composição de estrelas e galáxias mais velhas que
conhecemos concorda com a ideia de enriquecimento
químico temporal do Universo;
2- As galáxias mais distantes que conhecemos (antigas)
têm propriedades diferentes das mais recentes e estão
em contínuo afastamento;
3- A presença da radiação cósmica do fundo do céu;
Cosmologia – O futuro do Universo
Esta radiação é como um resíduo de uma época
remota do universo, quando este tinha cerca de
400 mil anos. Surpreendentemente os sinais desta
radiação foram descobertos por acaso por dois
engenheiros: A. Penzias e R. Wilson em 1964;
Ela ficou conhecida
como radiação cósmica
do fundo do céu e foi um
dos grandes triunfos da
teoria do Big Bang.
Cosmologia – O futuro do Universo
Estudar
a
radiação
cósmica de fundo se
tornou
fundamental
para esclarecer dúvidas
sobre
os
primeiros
instantes do universo.
Cosmologia – O futuro do Universo
Se a teoria do Big Bang podia dizer algo sobre o
passado, estudar o futuro era (e ainda é) um
pouco mais complicado;
Para sabermos o futuro, é preciso sabermos
quanta massa ou quanta matéria o universo
inteiro possui. Se ele possui pouca matéria, a
chance da ação da gravidade para contrair o
universo é pequena. Para um universo massivo,
as chances de contração são maiores. Isto se
resume aos prováveis futuros do universo:
Cosmologia – O futuro do Universo
Separação entre galáxias
Universo aberto em expansão eterna
Aberto em expansão
atingindo geometria
plana
Universo fechado com recolapso
tempo
Cosmologia – O futuro do Universo
Como propõe a TR, a quantidade de matéria
tem relação direta com a geometria do
universo:
Cosmologia – O futuro do Universo
Mas qual dos três modelos é o mais provável?
A resposta esbarra justamente na contabilização da
matéria no universo e em duas ideias que muitos
consideram importantes sobre o universo:
Homogeneidade: O universo tem a mesma
constituição em seu todo?;
Isotropia: o universo tem a mesma distribuição de
matéria em qualquer lugar que se olha?.
Será que isto parece razoável?
Cosmologia – O futuro do Universo
Cosmologia – O futuro do Universo
O problema da matéria
Se já não era fácil contar as estrelas, nebulosas e
galáxias para contabilizar toda matéria do universo,
imagine descobrir que há matéria invisível.
Na década de 1930-1940, o búlgaro F. Zwicky
percebeu que havia muito mais efeitos da
gravidade nas galáxias que as estrelas podiam
explicar.
 O problema da matéria escura.
Cosmologia – O futuro do Universo
O problema da matéria
Isto pode ser evidenciado pelas curvas de rotação
das estrelas nas galáxias.
Cosmologia – O futuro do Universo
O problema da matéria
Isto pode ser evidenciado pelas curvas de rotação
das estrelas nas galáxias.
Cosmologia – O futuro do Universo
O problema da matéria
Cosmologia – O futuro do Universo
Até o final do século XX diversos modelos
cosmológicos já haviam sido propostos para
explicar a evolução do universo, mas ainda havia
muitas incertezas nos valores da quantidade de
matéria de universo.
Em 1998 uma nova descoberta mudou
radicalmente a cosmologia. Dois grupos de
astrofísicos
norte-americanos,
investigando
supernovas, descobriram que o universo estava se
expandido não de forma constante, mas de forma
acelerada.
Cosmologia – O futuro do Universo
A descoberta da expansão acelerada colocou os
cosmólogos em um impasse. Se o universo está se
expandindo desta forma, deve haver algo, ou alguma
coisa que faça o papel inverso da gravidade de forma
muito eficiente.
Para esta coisa, criou-se o nome de Energia Escura.
Diferentemente da matéria escura que interage com os
corpos, a energia escura parece não ter interação.
Ambas, matéria e energia escura não emitem radiação
eletromagnética.
Cosmologia – O futuro do Universo
A expansão acelerada
Cosmologia – O futuro do Universo
o lado escuro da cosmologia atual
• O que constitui a matéria escura?
• O que constitui a energia escura?
Apesar delas nos sugerirem
hoje que o universo terá
expansão eterna, não
sabemos nada do que são
feitas.
Cosmologia – O futuro do Universo
Cosmologia – O futuro do Universo
• Qual o
tamanho do
Universo
observado?
• 46.5 bilhões
de anos-luz.
Cosmologia – O futuro do Universo
Neste começo de século XIX, embora a precisão das
estimativas de idade, matéria visível e distribuição
dos grandes blocos de matéria (superaglomerados
de galáxias e filamentos) tenham melhorado muito,
a cosmologia ainda tem muito a evoluir e fornecer
novas pistas sobre o passado e futuro do universo.
Diversas novas teorias tentam
modelar o universo primordial
utilizando ideias da TR, da física
quântica e ondas gravitacionais.
Entre os teóricos esta os físicos S.
Hawking e K. Thorne.
Cosmologia – Além do Big Bang
Faz sentido se perguntar o que havia antes
do Big Bang?
Cosmologia – e teoria de cordas
Faz sentido se perguntar o que havia antes do Big
Bang?
No mundo da ficção/ciência, muitos têm imaginado
que nosso universo é apenas um entre tantos
outros universos que podem ter sido gerados em
planos multi-dimensionais, ou que cada universo é
manifestação de pequenas cordas que vibraram ou
vibraram de modo específico para gerá-los; (Teoria
das cordas);
A comprovação destas teorias, entretanto, parece
estar longe da realidade.
Cosmologia – e teoria de cordas
Universo eterno ou Multiverso?
Obrigado por participar do
nosso curso!
Bibliografia cosmológica básica
Hawking, S.W; “Uma breve história do tempo - do
Big Bang aos Buracos Negros ”
Hawking, S.W; “O Universo em uma casca de nóz”
Mourão, R.R.F; “O Universo Inflacionário”
Weinberg, S; “Os três primeiros minutos do
Universo”
Couper, H. e Henbest, N; “Big Bang - A história do
Universo”
Harrison, E; “A escuridão da noite - Um enigma do
Universo”
Souza, R. E.,“Introdução à Cosmologia”, EdUSP,
2004
O espectro de radiação eletromagnético
“O universo é tudo que já foi,
tudo que é, e tudo que será”
Carl Sagan (1934-1996), astrônomo
estadunidense