Galáxias - Via Láctea

Galáxias - Via Láctea
Histórico: Modelos da Galáxia
Estrutura, Forma e Dimensões da Via-Láctea
- Bojo, disco halo e barra
- A Região Central
- Rotação Diferencial
- Braços Espirais
Sandra dos Anjos
IAGUSP
www.astro.iag.usp.br/aga210/
Agradecimentos: Prof. Gastão Bierrenback
e Prof. Vera Jatenco
Vimos na aula passada que entre as estrelas da nossa Galáxia, existe um meio,
o Meio Interestelar-MIS, constituído por gás e poeira, além de raios cósmicos,
partículas de altas energias e fótons.
Vimos, em particular, o gás e a poeira, e a transformação que a luz sofre ao
atravessar nuvens do MIS, a produção da linha de 21cm do hidrogenio - que nos
permite inferir sobre a estrutura dos braços da Galáxia, e também como as
“linhas proibidas”, fenômeno possível somente no MIS, são formadas.
Nesta aula veremos como se consolidou o conhecimento sobre a estrutura,
forma, dimensões, conteúdo estelar, e o movimento das estrelas na Galáxia, além
de importantes fenômenos dinâmicos, recentemente explicados, que podem
justificar a formação de braços no disco da Via Láctea.
Veremos que a informação sobre o comportamento da velocidade das estrelas
no disco da Galáxia nos leva a um problema, ainda em aberto, conhecido como
"Matéria Escura”
Origem do nome - Galáxias
...aparência nebulosa, esbranquiçada…!
Romano, Via - Láctea (caminho de leite)
Grego, Galáxia (leite)
O conhecimento e a
estimativa do tamanho
e da estrutura da
Galáxia dependem da
determinação da
“Distância a Estrelas".
d1
d2
d3
d4
Os vários métodos de determinação de distância serão vistos no final do próximo roteiro.
Nas 3 primeiras décadas do século XX astrônomos gradualmente deduziram o tamanho
e estrutura da Galáxia utilizando o número de estrelas em função da distância.
Um tipo de estrelas conveniente para estas medidas são as estrelas variáveis do tipo
Cefeida, cuja variabilidade é da ordem de 50-100 dias. Vimos especificamente este tema
no Roteiro 17- Estrelas Variáveis.
•
•
•
A causa da variabilidade deste tipo de estrela é devido a contração e expansão física das
camadas externas do envelope, causada por “oscilações de relaxação térmica”.
Neste tipo de estrela é possível utilizar a equação do Módulo de Distância para inferir a
distância das estrelas, como descrito a seguir.
Se conheço o período, P, obtenho L ou magnitude absoluta (M) , via relação bem
estabelecida do Período-Luminosidade de estrelas Cefeidas (figura abaixo). A distância pode
ser então calculada observando-se o brilho aparente...
m(ap) – M(abs) = 5log d (pc) – 5 (expressão “quase correta”)
observada
Obtida via Relação Período-Luminosidade
P-L
...a partir de medidas de distâncias de estrelas, foi possível obter o
primeiro modelo da forma da Galáxia, como veremos a seguir...
Primeiras Concepções sobre a Forma da Via-Láctea
menos estrelas
mais
estrelas
Em 1750 Thomas Wright sugere que a Via
Láctea seja uma casca esférica de estrelas.
Os “Universos ilhas” de Immanuel Kant.
Acreditava que a Via-Láctea era um entre
outros “Universos ]Ilhas"
Descobrindo
Galáxia sobre a Forma da Via-Láctea
PrimeirasaConcepções
~300 milhões de estrelas
Sol
8 mil anos luz (2,5 kpc)
Em 1785, William Herschel inicia estudos quantitativos realizando contagens de estrelas supondo
que a luminosidade é a mesma para todas –> pode assim calcular as distâncias.
Imagina a Via Láctea como um disco, com o Sol próximo do centro, resultando na concepção
desenhada acima.
Esta visão da Via Láctea vai predominar até o início do Séc. XX.
Descobrindo
a Galáxia sobre a Forma da Via-Láctea
Primeiras Concepções
Sol
Se contarmos o número de estrelas em direções opostas, o número é mais ou menos o
mesmo.
A conclusão lógica é de que estaríamos no centro da distribuição das estrelas.
Mas falta um elemento neste raciocínio....considerar os efeitos que a poeira povoca na luz,
modificando-a, e que só foram bem estabelecidos no início da década de 1930
Nós não podemos ver claramente além de ~2 kpc.
- Luz visível é absorvida pela poeira.
Um passo a mais.... : modelos de Kapteyn e Shapley
Kapteyn – aumenta a estatística, e assume que as estrelas tem L diferentes
- encontra uma forma onde o Sol está quase no centro
Shapley – utiliza como traçador de distância aglomerados globulares
Herschel, Kapteyn
- Erraram porque não consideram obscuração (A) ou absorção (A)
galáctica devido aos efeitos sobre a luz no MIS.
m – M = 5log d(pc) – 5 + A (absorção)
Shapley (ver próxima figura)
- Usa aglomerados globulares, cuja distribuição espacial é quase
esferica no halo da Galáxia, e percebe que o Sol não se encontra
no centro desta distribuição. Obtem um modelo bem mais realista.
Oort, Lindblad
- Paralelamente, já sabiam pelos estudos dinâmicos que o Sol não
está no centro da VL.
Primeiras Concepções sobre a Forma da Via-Láctea
No início do Séc. XX, Harlow
Shapley nota que o Sol não está no
centro da distribuição espacial de
aglomerados globulares.
Conclui
que
o
Sol
não
está
no
centro
da Via Láctea.
Podemos ver aglomerados distantes.
Primeiras Concepções sobre a Forma da Via-Láctea
A questão do tamanho da Galáxia e a natureza das nebulosas (principalmente as
espirais) é central para a compreensão da Via Láctea.
Promove o “Grande Debate” de 1920:
Harlow Shapley acreditava que:
- Via Láctea muito grande
Heber D. Curtis acreditava que:
- Via Láctea pequena
- Sol a 20 kpc do centro
- Sol está no centro
- Nebulosas fazem parte da galáxia
- Nebulosas são “universos ilhas”
Via-Láctea: visão hoje
Conhecemos a estrutura da Galáxia graças as observações em rádio (gás) e IR (poeira) e
também pela comparação que podemos fazer com as outras galáxias observadas
Visão atual da estrutura da Via Láctea vista de perfil e de face…
Face
Perfil
Regiões HII
Estrutura
Nuvens moleculares
- disco fino
- disco espesso
~ 120.000 al
- halo
- barra
- bojo: componente brilhante na região central, onde estrelas de população velha e pobre em metais
estão concentradas (?!) abriga núcleo denso de estrelas, radiofonte e BH (MBH ~ 4x10 6Msol. )
Conteúdo: gás, poeira e estrelas, essencialmente…
Galáxia vista em 8 filtros
Altura do gás molecular hmol=65pc
-onde estrelas estão nascendo
Visão atual da estrutura da Via Láctea vista de perfil e de face…
Face
Perfil
Estrutura
- disco fino
- disco espesso
- bojo: abriga núcleo denso de estrelas, radiofonte e BH (MBH ~ 4x10 6Msol )
- halo
- barra
Conteúdo: gás, poeira e estrelas, essencialmente…
Constituintes das Componentes da Galáxia
Disco
- Estrelas de jovens e ricas em metais
(população I – veremos adiante porque....)
- Aglomerados abertos
- Regiões HII
- Nuvens moleculares, gás e poeira
Bojo
- Estrelas velhas e pobres em metais
(população II)
Halo
- Aglomerados globulares
Tabela abaixo: Parâmetros e valores característicos para as componentes da VL..
A espessura do disco (escala de altura-h) denota a distancia a partir do Plano Galáctico para
as quais a densidade (n) decresce
créditos: Peter Schneider – Extragalactic Astronomy and Cosmology
Gás Neutro
Disco fino
M (1010MO)
0.5
6
LB (1010LO)
-1.8
M/LB (M0/L0)
-3
diametro(Kpc) 50
50
Altura -h (Kpc) 0.13
0.325
[Fe/H]
>0.1
-0.5 até +0.3
Disco espesso
0.2 a 0.4
0.02
-50
1.5
-1.6 até -0.4
Bojo
Halo estelar
1
0.3
3
2
0.4
-1 até 1
DarkMatter
0.1
55
0.1
0
~1
-100
>200
3
2.8
-4.5 até -0.5
--
Vejamos com um pouco mais de detalhes o que sabemos sobre as
Componentes Estruturais
BOJO - é a componente mais brilhante e onde
concentradas.
as estrelas estão
-Região brilhante confinada na
região central da galáxia e mais
espessa que o disco, com forma
quase sempre elipsoidal
-Constituído basicamente de
estrelas velhas, de população II
Contêm o núcleo ou centro galáctico
Galáxia vista de Face
Núcleo na região central do Bojo
Galáxia vista de Perfil
Centro da Galáxia
Constelações e estrelas mais brilhantes na região do centro galáctico.
CENTRO
...conjunto de observações em diferentes comprimentos de onda
- Obs radio mostram um grupo de pequenos objetos conhecido como Sagitarius A (Sgr A)
- Não se sabe exatamente o tamanho
- Sítio de forte emissão X (fonte é Sgr A*) e mais recentemente obs em Infra vermelho (IR)
- Muitas nuvens com alta velocidade indicando grande quantidade de massa
- Segmento de braço se afastando do centro sugerindo evento explosivo
→ BN Supermassivo ou aglomerado denso?
BN parece a hipótese mais promissora…(M~1.000.000 Msol)
Centro da Galáxia
Movimento de estrelas próximas
do centro da Galáxia, observadas
desde 1992.
Massa no interior de ~130 U.A. =
3,4 x 106 Mo.
Buraco Negro Super Massivo.
Centro da Galáxia
• Massa no interior de ~130 U.A. = 3,4x106 M . Buraco Negro.
Centro da Galáxia
- Imagem no visível.
- Vários aglomerados abertos e globulares
estão marcados.
- Janela de Baade:
... região com pouca poeira por onde
observamos melhor o bojo.
- A luz difusa vem de muitos milhões de
estrelas.
Centro da Galáxia
...com infravermelho podemos observar através da poeira.
Infravermelho,
campo de 50°.
Infravermelho, com
destaque ao centro
Galáctico.
Infravermelho, onde vemos centenas de
estrelas próximas de Sagitário A*.
- Binárias com anãs brancas, estrelas de
nêutrons e/ou buracos negros.
- Restos de supernovas.
- Emissão associada a Sagitário A*.
- Imagem em rádio em 333 MHz.
- A fonte rádio Sagitário A* coincide com o centro
da Via Láctea.
- Observa-se vários restos de supernovas.
0,5°
Imagem em raios-X de Sgr A*
DISCO:
é a componente mais luminosa e tem a maior parte das estrelas.
Possui fenômenos dinâmicos particulares como ondas de densidade,
rotação diferencial, entre outros...
- d ~ 30Kpc – 50Kpc (120 mil a.l)
- dSol ~ 8.5 Kpc
- Pop I e II (essencialmente jovem - rica em metais)
- Dados atuais → barra (2-3Kpc)
- Disco estratificado (fino jovem e velho, espesso)
- Braços – população jovem (I)
- Gás + poeira confinados disco
- Estrelas + MIS estão em rotação diferencial
…descobertas mais recentes incluem a presença de uma…BARRA!
Rotação da Galáxia Disco em Rotação
Rotação em torno do centro Galáctico.
Curvas de rotaçãoCurvas de Rotação
Medimos a velocidade para corpos em várias distâncias do centro de rotação.
Exemplo: No caso do Sistema Solar, esta rotação tem comportamento Kepleriano.
velocidade
de rotação
ou
velocidade
orbital
Comportamento da Curva de Rotação Galáctica “esperada”
...2 regimes de comportamento
2o- Rotação kepleriana no disco
1o-Rotação rígida no bojo
V el oc i d ad e
Raio Orbital
No caso da rotação rígida, todos os objetos deslocam-se à mesma velocidade angular, e a
velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica (exemplo disco
compacto ou DVD). Esse caso aplica-se de maneira aproximada às regiões mais internas da
Galáxia.
Medindo a rotação da Via Láctea
• Difícil, pois estamos dentro do disco da Galáxia.
• As flechas (vetores) indicam a velocidade orbital.
• Para medir a velocidade de
rotação precisamos levar em
conta o movimento do Sol.
e nuvens moleculares
Medindo a rotação da Via Láctea
• Um caminho para se chegar lá...
• Escolha de alguns objetos típicos que se encontram nos braços
Sol
centro
galáctico
• Mapa feito com observações em
rádio do hidrogênio neutro (HI).
e nuvens moleculares
Curva de rotação da Galáxia
•
•
Até ≈ 15 kpc: regiões HII, estrelas O e B (visível, IV, rádio)
Além de ≈ 15 kpc: HI (rádio, 21cm)
Curva de rotação da Galáxia
•
•
•
O Sol se move com cerca de 200--220 km/s.
O Sol está a cerca de 7,5--8,0 kpc do centro da Galáxia.
Logo, uma volta do Sol leva de 210--225 milhões de anos.
No último “ano Galáctico” a Terra estava no Triássico.
Curva de rotação da Galáxia
• Objetos que estão mais distantes do centro do que o Sol levam mais tempo
para dar uma volta completa.
• Regime de rotação diferencial.
Curva de rotação da Galáxia
rotação de corpo sólido
• Objetos que estão menos distantes do centro do que o Sol levam menos tempo
para dar uma volta completa, e também podem estar em rotação diferencial.
• Na região do bojo da Galáxia as estrelas seguem um regime diferente de rotação,
denominado rotação de corpo sólido. Neste regime, os objetos levam o mesmo
tempo para dar uma volta completa. Vamos entender melhor esta situação....
Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco
Rotação Rígida x Rotação Kepleriana
No caso da rotação
rígida, todos os
objetos deslocam-se
à mesma velocidade
angular (ver figura
abaixo), e a
velocidade de
rotação aumenta
linearmente com a
distância
galactocêntrica.
No caso da
rotação
diferencial,
objetos mais
distantes viajam
com velocidade
menor do que os
mais próximos ao
bojo.
Curva de rotação da Galáxia
ve l oc i d a d e
v = cte
v∝R
raio
• O que “segura” as estrelas, o gás, a poeira
em órbita é a massa da Galáxia contida
dentro da distância R.
• Se não há mais massa, a velocidade orbital
deve diminuir com a distância, como no
exemplo do Sistema Solar.
Curva de rotação da Galáxia
ve l oc i d a d e
v = cte
v∝R
raio
•
A velocidade orbital constante a partir de um
raio R implica que a massa aumenta com a
distância ao centro da Galáxia:
•
3a. Lei de Kepler:
Massa dentro da órbita
√
M
vµ
R
velocidade orbital
raio da órbita
Curva de rotação da Galáxia
ve l oc i d a d e
v = cte
v∝R
massa ∝ raio
raio
•
Mas praticamente não observamos mais
estrelas além de ≈ 16 kpc, e apenas
pouco gás até ≈ 30 kpc.
•
Logo, existe massa mas de natureza
invisível.
•
Matéria Escura.
~16
kpc
Sol
Curva de Rotação da Galáxia
...Problema da Matéria Escura
Massa de natureza invisível.
Halo de Matéria Escura
•
O que pode ser a matéria escura?
•
Gás (atômico ou molecular) que emite tão pouca
radiação que não podemos vê-lo?
•
Talvez as leis da dinâmica dos corpos (leis de
Newton) não sejam válidas?
•
Material “exótico” que interage apenas através
da gravitação?
Créditos: Jose Wudka
Braços
espirais no disco observamos os braços espirais....
Assentados
- São delineados por estrelas jovens, regiões HII, nuvens moleculares e poeira.
- A Galáxia é uma espiral com 3 braços.
- Mal definidos pelas estrelas velhas.
- Muito mais fáceis de se identificar em outras galáxias.
Sol
centro
galáctico
M101
visível rádio
Via Láctea
Braços espirais no disco
Galáctico.
Como se formam?
...seriam eles formados pela matéria que gira no disco?
...ou seja, seriam braços materiais?
- Seriam desfeitos depois de um certo número de rotações.
- Fato: observamos eles até hoje !
Rotação
Braços Espirais
Persistência dos
braçosdos
espirais
1a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços.
ve l oc i d a d e
v = cte
v∝R
v
raio
v
Braços Espirais
- 1a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços. NÃO !!!
v
v
simulação
Porque?
Os braços espirais não são compostos pelas mesmas estrelas. Se fossem, eles
se enrolariam sempre e acabariam desaparecendo devido à rotação diferencial
Rotação dos braços
das espirais.
estrelas do disco.
1a possibilidade: rotação das estrelas que
formam os braços.
Estrutura Espiral
Braços materiais:
o problema do enrolamento
Conclui-se portanto que os braços espirais não se comportam como uma estrutura material que se
espirala gradualmente devido à rotação diferencial do disco. Se fosse esse o caso, deveríamos observar
galáxias com braços extremamente apertados devido ao efeito acumulado de dezenas de revoluções.
Como não se observa objetos com este efeito na natureza.....
Então, ou eles tem vida curta ou eles não são materiais
Persistência dos Braços Espirais
• 2a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. Correta!
• Teoria de ondas de densidade originalmente proposta por Bertil Lindblad e
posteriormente desenvolvida pelo matemático C. C. Lin e o astrônomo chinês
Frank H. Shu nos anos 1960.
• Origem da compressão: congestionamento de órbitas.
• Órbitas ligeiramente elípticas, com eixo rodado por um pequeno ângulo.
Persistência dos braços espirais
2a possibilidade: onda de compressão, ou uma instabilidade que está
se propagando pelo disco.
• A espiral em uma galáxia é como
uma onda que se propaga no disco. A
forma da espiral não muda, isto é, o
padrão espiral gira como um corpo
sólido (mas não é sólido!).
http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/BracoEspiral/index.html
Uma visualização deste processo consiste em imaginar a propagação de ondas
em um líquido. Se o mesmo estiver em repouso teremos ondas circulares.
Mas o movimento de rotação faz com que esta estrutura ondulatória se
modifique criando um padrão espiral.
Em repouso
Em rotação
Persistência dos Braços Espirais
Rotação dos braços espirais.
2a possibilidade: onda de compressão se
propagando pelo disco.
• A onda espiral se propaga com velocidade diferente das estrelas e nuvens.
• As nuvens são comprimidas quando atravessam a onda ocorrendo formação
estelar.
• Estrelas massivas vivem pouco: estão próximas da onda.
Persistência dos Braços Espirais
• Congestionamento no
disco provoca perturbação.
• Os braços espirais são
ondas que se propagam
pelo disco.
Persistência dos Braços Espirais
•
As órbitas das estrelas não são exatamente
circulares. Podemos decompor o movimento
das estrelas em um movimento circular
principal e oscilações radiais, tangenciais e
verticais menores. A composição destes
movimentos resulta em uma órbita elíptica.
Persistência dos Braços Espirais
• Os braços espirais e as estrelas não giram
da mesma forma. Na região mais central, as
estrelas giram mais rápido do que os braços.
Na região mais externa o braço gira mais
rápido do que as estrelas. Onde os braços e
as estrelas giram com a mesma velocidade é
chamado de raio de corrotação.
Persistência dos Braços Espirais
• As estrelas, seguindo suas órbitas elípticas e
precessionadas uma em relação às outras, vão
se acumular formando o padrão espiral.
•
Note que a espiral não é feita pelas mesmas
estrelas.
Braços espirais
• Braços são produzidos por uma perturbação no
disco.
• Barras também são produzidas por uma
perturbação.
• As estrelas, gás e poeira têm rotação diferencial.
• O padrão espiral
(e barras) giram com uma
velocidade angular
constante.
Sol
Como explicar a formação da Galáxia… compatibilizando toda a
diversidade de subestruturas e conteúdo de cada uma delas, além
do comportamento cinemático?
Como estas subestruturas coexistem com tamanha diversidade em
suas propriedades gerais?
Veremos no Roteiro 20 – Outras Galáxias, como foram estes
objetos descobertos e o impacto causado na visão de Universo
daquela época.