A Nossa Galáxia - Observatório Nacional

Nosso Endereço no Universo
Uma breve história da seqüência de
descobertas que levou ao conhecimento de
como é o Universo em que vivemos.
Paulo S. Pellegrini
MCT/Observatório Nacional
Desde a Pré-história
Dentro de Casa,
olhando a “Rua”
onde moramos
Terra e Céu
Percepção
de Terra e Céu:
estações do ano,
movimentos do Sol, da
Lua e das estrelas
A partir de 4000 A.C.
A Descoberta do “Bairro”
onde moramos
O Conhecimento do Sistema Solar
Principal ação no período: determinação
da forma da Terra e seu mapeamento
Descobrir como estão distribuidos no espaço
e como se movimentam:
o Sol ...
a Lua ...
Planetas: objetos celestes que se movimentam
em relação a um fundo de estrelas
aparentemente fixas.
Movimento dos planetas sobre o fundo de estrelas:
a trajetória apresenta trechos com movimento
retrógrado (na direção contrária) e, em alguns casos,
com um enlace como mostrado na figura
Como explicar isto ?
Sistemas para explicar o
movimento dos planetas:
Geocentrismo e Heliocentrismo
Geocentrismo
Aristóteles (350 A.C.)
Ptolomeu (150 )
Sistema Geocêntrico
Terra
Lua
Mercúrio
Vênus
Sol
Marte
Júpiter
Saturno
Os planetas teriam movimento circular em torno da
Heliocêntrico
Terra
e movimentos circulares com raios pequenos
em torno de nehum outro corpo existente. Os
movimentos retrógrado e de enlace seriam a visão,
que teríamos da Terra, resultante de uma combinação
desses dois movimentos . Era necessário assumir
movimentos circulares de raios pequenosmuito
diferentes para cada planeta e ausência deste
movimento para o Sol e a Lua . Note-se que não
havia a idéia da existência de uma força única
(gravitacional) que atuasse sobre os corpos.
Heliocentrismo
Aristarco de Samos
(200 A.C.)
Copérnico (1543)
Geocêntrico
Sistema Heliocêntrico
Sol
Mercúrio
Vênus
Todos os planetas apresentam movimento em
torno do Sol. A Lua apresenta o mesmo tipo de
movimento em torno da Terra. Os planetas mais
próximos do Sol orbitam mais rapidamente que os
mais distantes. Esse movimento relativo é
responsável pelos movimentos aparentes retrógrado
e de enlace dos planetas. Este modelo de um único
tipo de movimento foi fundamental para a idéia da
existência da força gravitacional.
Terra
Lua
Marte
Júpiter
Saturno
Você está aqui
1610 - Galileu Galilei
Aponta sua
luneta para os
Planetas, vê
suas superfícies
e descobre suas
formas, satélites
e fases.
Terra e Planetas
são objetos
semelhantes
Mercúrio : Imagem obtida em telescópio moderno
Venus : imagem obtida em telescópio moderno
Marte : imagem obtida em telescópio moderno
Júpiter : imagem obtida em telescópio moderno
Saturno: imagem obtida em telescópio moderno
E o que descobre Galileu sobre a faixa, com
aparência nebulosa, relativamente estreita,
cortando o céu, denominada Via Láctea ?
Ela é formada de estrelas
A partir de 1610
A Descoberta da “Cidade”
onde moramos
(inclusive o CEP)
O Conhecimento da Nossa Galáxia
1775 – Immanuel Kant
Sugere que a Via Láctea seja um
sistema de estrelas, achatado como
um disco.
Esquema mais tarde feito por Herschel
vemos menos
estrelas
Por isso, quando olhamos
na direção do plano desse
disco, vemos mais estrelas
do que quando olhamos na
direção perpendicular ao
plano.
vemos mais
estrelas
Tendo conhecimento
da observação de
objetos difusos e
nebulosos,
Kant especula que
assim seriam vistos
outros sistemas
estelares, como o
nosso, se estivessem
muito distantes
1785- William Herschel
Constrói e utiliza telescópio
de diâmetro 1,2m
Tenta, pela primeira vez, determinar a forma da
Via Láctea, o sistema de estrelas em que vivemos.
Herschel assume que as
estrelas têm mesmo brilho
e estão distribuídas
homogeneamente no
espaço.
Herschel argumenta que se o
Universo de estrelas tem um limite
visível, e sua forma é irregular
(ou, achatada) deve-se contar mais
estrelas em algumas direções que
em outras.
Exemplo
real de
diferenças
de número
de estrelas
Campo de 20”x20”
na direção da
Via Lactea
Campo de 20”x20”
perpendicular
à Via Lactea
A Nossa Galáxia
como descrita por Herschel em1785
Herschel mapeia a Via Láctea realizando contagens
sistemáticas de estrelas em 683 diferentes direções
no céu. Tamanho da Via Láctea numa direção é
proporcional à contagem naquela direção
Encontra a seguinte forma para o nosso
sistema de estrelas
Sol
Herschel, também
ciente da existência
de objetos de aparência
difusa, encontra e
cataloga cerca de 5000
“estrelas nebulosas”.
Varia sua opinião se
são objetos dentro da
Via Láctea ......
ou outros sistemas de
estrelas muito distantes,
como especulado por
Kant
Exemplos de “estrelas nebulosas”
1901–1922 Hugo von Seeliger (Obs Yerkes, EUA)
Jacobus Kapteyn (Obs. Leiden, Holanda)
Assim como Herschel, realizam
contagens estelares em diferentes
direções no céu, com técnicas e
instrumentos mais modernos.
Seeliger
Kapteyn
Kapteyn coordena um esforço
internacional para pesquisar o
máximo possível de área do céu.
Usam propriedades conhecidas
das estrelas mais próximas:
distâncias e número relativo por
intervalo de brilho
Distâncias Astronômicas
Unidade Ano-luz
•
A velocidade de propagação da luz no vácuo é
cerca de 300.000 km/s.
•
Nesta velocidade, ela percorre uma distância de
9.460.000.000.000 km em 1 ano.
•
Por isso, a definição da unidade de distância
1 “ano-luz” = 9.460.000.000.000 km.
Distâncias Astronômicas
Exemplos
--------------------------------------------------------------------Distâncias
anos-luz
km
--------------------------------------------------------------------Sol - Terra
0,000016
150.000.000
(8 minutos- luz)
Sol – Plutão
(Sistema Solar)
Sol – Estrela mais próxima
Diâmetro da Galáxia
(estimado por Kapteyn)
0,00062
5.900.000.000
(5,5 horas-luz)
4,4
50.000
42.000.000.000.000
473.000.000.000.000.000
Modelo de Kapteyn para a nossa Galáxia
O Universo conhecido, no início do século XX
Sol
Sistema de estrelas achatado, e mais denso no
centro, com dimensões aproximadas:
diâmetro ≈ 50.000 anos-luz
espessura ≈ 10.000 anos-luz
Sol situado próximo do centro
Para mapear o Universo é
fundamental ter-se um método confiável
para medir distâncias a partir
apenas da luz emitida pelos objetos
astronômicos e do donhecimento
de alguma propriedade física absoluta
do objeto ou do próprio Universo
Um Método Para Medir Distâncias Astronômicas
Usando a diluição do Brilho com a Distância
Para uma estrela situada em
diferentes distâncias D
medimos um brilho
aparente Bap
que é igual seu
brilho intrínseco Bin
dividido (diluído) pela
distância ao quadrado
Bap =
Bin
D
2
Diluição do Brilho com a Distância
Um telescópio
colhe menos
luz de uma
fonte, se está
situado a
uma distância
maior
Um Método Para Medir Distâncias Astronômicas
1908 – Henrietta Leavitt
(Obs. Harvard, EUA)
Brilho aparente
Descobre relação entre:
o tempo de variação (Período)
e o Brilho intrínseco
de uma classe de estrelas com
variação regular denominadas
Cefeidas
Período
------
Tempo em dias
Um Método Para Medir Distâncias Astronômicas
Etapas para medir distâncias
usando estrelas Cefeidas:
2 - Medir o período de variação de sua
luz e seu brilho aparente Bap
Brilho
aparente
1 - Identificar uma estrela deste tipo
Período
3 - Usar a relação Período – Brilho intrínseco para obter o brilho intrínseco Bin
4-
Usar a expressão
Bap =
para obter a distância D
Bin
D2
Brilho
intrínseco
Tempo em dias
Período (dias)
Diferentes Propostas Para o Tamanho
da Via Láctea e natureza das nebulosidades
Heber Curtis
Tamanho da Via Láctea como
estimado por Kapteyn com
método estatístico :
50.000 x 15.000 anos-luz
Sol aproximadamente no centro
Não confiava nas distâncias das
Cefeidas
Nebulosidades são
galáxias como a
Via Láctea,
muito distantes
=
Diferentes Propostas Para o Tamanho
da Via Láctea e natureza das nebulosidades
Harlow Shapley
Mapeamento usando Cefeidas
em aglomerados de estrelas
Å------------ 300.000 anos-luz ----------Æ
Sol
Nebulosidades são objetos
pequenos dentro da Via Láctea
Centro da
Galáxia
1920: Debate Curtis x Shapley
Resultado do debate:
Inconclusivo
Nenhum dos dois debatedores mostrou argumentos
científicos completamente convincentes. Ambos
estavam certos sobre alguns ítens, mas errados
com relação a outros. Em particular, ambos
desconheciam a importância da poeira na Via
Láctea que, na prática, diminui a luz observada das
estrelas e, em algumas regiões, simplesmente
bloqueia a totalidade dessa luz
1923 – Edwin Hubble
(Obs. Mount Wilson, EUA)
Encontra uma
estrela Cefeida
numa das
maiores
nebulosidades,
na constelação
de Andrômeda ...
e calcula a distância da nebulosa
como 900.000 anos-luz !
Muito além do maior diâmetro estimado para a nossa
Galáxia: são portanto sistemas estelares distantes
Com o aperfeiçoamento dos
métodos para medir distâncias, o
surgimento de novos métodos e a
construção de telescópios e instrumentos
medidores com maior capacidade
para obter melhores imagens,
foi possível, ao longo do tempo,
mapear a nossa Galáxia, obter uma
descrição bastante confiável de
sua forma e da nossa localização e
avançar no processo de
mapeamento do Universo.
Uma descrição atual da nossa Galáxia
Um esquema de perfil
Você está aqui
Bojo
8.000 anos-luz
Disco
4.000 anos-luz
Sol
28.000 anos-luz
Conteúdo estelar ≈ 100.000.000.000 de estrelas
100.000 anos-luz
poeira
Uma descrição atual da nossa Galáxia
Um esquema de perfil
Você está aqui
Bojo
8.000 anos-luz
Sol
e a estimativa
de Herschel
Disco
4.000 anos-luz
28.000 anos-luz
100.000 anos-luz
poeira
Uma descrição atual da nossa Galáxia
Um esquema de perfil
Você está aqui
Bojo
8.000 anos-luz
4.000 anos-luz
Sol
e a estimativa
de Kapteyn
Disco
28.000 anos-luz
100.000 anos-luz
poeira
Uma descrição atual da nossa Galáxia
Nossa localização no braço de Orion
Você está aqui
Uma Descrição da Nossa Galáxia
com 2 Galáxias Semelhantes
Vista de frente
Vista de perfil
NGC 4321
Bojo, disco, braços espirais
Bojo, disco, poeira
De 1923 até hoje
A Descoberta do “Estado”
e do “País” onde moramos
O Conhecimento do Universo
O Universo conhecido em 1923 – 1929
Hubble determina distância para
cerca de 20 nebulosas,
mostrando que são sistemas de
estrelas, como a nossa Galáxia, a
milhões de anos-luz de distância.
Para diferenciar das pequenas
nuvens de gás, dentro da Via
Láctea, esses objetos distantes
passam a ser chamados de galáxias
Alguns do objetos catalogados por
Herschel como “estrelas nebulosas”
e que, com a melhoria da qualidade
da instrumentação astronômica, se
revelaram como galáxias de formas
magníficas
NGC 4486 a 60.000.000 anos-luz
NGC 4594 a 50.000.000 anos-luz
NGC 4486 a 3.000.000 anos-luz
NGC 628 a 35.000.000 anos-luz
NGC 3079 a 50.000.000 anos-luz
Grande Nuvem de Magalhães a 179.000 anos-luz
Um Método Para Medir Distâncias Astronômicas
Alguns Conceitos Importantes Sobre a Luz
e que pode ser
parcialmente
representada por
uma onda
Intensidade
A luz é uma perturbação
do campo eletromagnético
que se propaga pelo espaço
(radiação eletromagnética)
λ
distância
Uma onda é completamente
caracterizada pela sua intensidade
máxima e pela distância entre 2
máximos da sua variação. Essa
distância é chamada comprimento de
onda (λ)
Uma feixe de radiação pode conter desde apenas um
comprimento de onda até uma infinidade de valores de λ.
Ao atravessar alguns materiais, a radiação pode ser
“espalhada” nos seus infinitos comprimentos de onda
e vemos o seu espectro
prisma
λ crescente
radio
λ
infravermelho
fenda
λ decrescente
visível
ultravioleta
raios-X
Raios γ
luz branca
O Espectro das Estrelas
(e galáxias)
Quando observamos a luz de uma estrela, espalhada nos
seus comprimentos de onda (o espectro da estrela), vemos
um contínuo de cores e linhas escuras onde há “ausência” de
radiação
estrela
prisma
fenda
O Espectro das Estrelas
(e galáxias)
No interior das estrelas, é produzido
um espectro contínuo de cores
Estrela
Nas atmosferas das estrelas,
os vários átomos absorvem a
radiação vinda do centro,
retirando do espectro
alguns comprimentos de onda
Cada átomo absorve um
conjunto de comprimentos
de onda característico
Efeito (Doppler) que acontece com a radiação
Espectro de uma fonte de luz
estacionária que emite e
absorve radiação numa
variedade de comprimentos
de onda (ex. um estrela ou
uma galáxia)
A mesma fonte de
luz se afastando
A mesma fonte de
luz se aproximando
•
comprimentos de onda
•
Espectro se desloca
para o vermelho
•
Espectro se desloca
para o azul
Medindo o deslocamento do espectro sabemos a
velocidade da fonte
A Lei Descoberta por Hubble (1929)
Vesto Slipher (Observatório
Lowell, EUA), em 1914, foi o
primeiro a indicar que
todas as 14 galáxias,
por ele observadas,
apresentavam o espectro
deslocado para o vermelho
Edwin Hubble (Obs. Mount Wilson, EUA),
medindo distâncias com estrelas
Cefeidas e deslocamentos dos espectros
para o vermelho, encontra uma
importante propriedade do Universo
A Lei Descoberta por Hubble
Quanto mais distante está
uma galáxia,
Seu espectro está mais
deslocado para o lado vermelho
Como o deslocamento do espectro
para o vermelho é maior quanto
maior for a velocidade com que a
fonte está se afastando, este
resultado significa que ...
quanto mais distante está uma
galáxia, maior é a velocidade com
que ela se afasta da nossa
Galáxia
A Lei Descoberta por Hubble
Um estimador de distâncias
V=H×D
velocidade de afastamento
(km/s), medida pelo
deslocamento do espectro
≈ 20
20.000 km/s
←
⏐
1.000.000.000
anos-luz
distância (em milhões
de anos-luz) de uma
Galáxia qualquer à
nossa Galáxia
km/s/Milhõesanos-luz
10.000 km/s
10.000 km/s
←
→
⏐
500.000.000
anos-luz
⏐
Nossa
Galáxia
⏐
500.000.000
anos-luz
20.000 km/s
→
⏐
1.000.000.000
anos-luz
Medindo o deslocamento do espectro sabemos a
velocidade de afastamento e podemos estimar a distância
O Universo Conhecido no Final do Século XX
Mapeando as Galáxias com a Lei de Hubble
Praticamente todas as galáxias, em alguma escala de
tamanho, podem ser consideradas como parte de um
sistema:
pares
grupos
aglomerados
superaglomerados
grandes estruturas
Pares de Galáxias
Sistemas de 2 galáxias
ligadas pela atração
gravitacional
Grupos de Galáxias
São sistemas contendo
entre 3 e 50 galáxias
O Grupo Local
: onde está situada a nossa Galáxia
Andrômeda
M33
Nossa Galáxia
Você está aqui
Galáxias Elípticas anãs
Galáxias Irregulares anãs
<-----------
3.000.000 anos-luz
---------->
Aglomerados de Galáxias
Aglomerados
de galáxias
têm dimensões
da ordem de
6.000.000 de
anos-luz
<----------------------------
6.000.000 anos-luz
----------------------->
Aglomerados de Galáxias
e alguns
chegam a
conter mais
de 1000
galáxias
Abell 1689
Distância =
2,2 bilhões de
anos-luz
O Superaglomerado
da Virgem
Aglomerado da Virgem
Aglomerado
de Fornax
Você está aqui
A Observação do Universo Distante
A presença de poeira
ao longo do disco da
nossa Galáxia bloqueia
a visão na direção do
plano do disco. Na
região marcada
“Direção oculta pela
poeira” existem
Direção
galáxias mas não as
oculta
enxergamos.
pela
poeira
A observação óptica de
galáxias distantes
só pode ser feita em
direções perpendiculares
ao plano do disco da
nossa Galáxia
Direção
livre
de
poeira
Nossa Galáxia
Sol
Direção
livre
de
poeira
Direção
oculta
pela
poeira
As Grandes Estruturas do Universo
Mapeamento de Galáxias
no Hemisfério Sul
~ 5.500 galáxias
Superaglomerado
da Virgem
Aglom. Virgem
nossa Galáxia
a
Forn
.
m
Aglo
As galáxias e suas
associações se agrupam
em estruturas com
formas de filamentos e
“paredes”, que circundam
grandes regiões vazias de
material luminoso
x
a
fil
m
t
en
o
vazio
Parede vista de frente
<-------------
500.000.000 anos-luz
------------>
<-----------------
800.000.000 anos-luz
------------------>
Parede vista de perfil
Mapeamento de
Galáxias nos
Hemisférios
Norte e Sul
(anos 1980)
~ 15.000 galáxias
Superaglomerado
da Virgem
As grandes paredes
de galáxias (que
contém alguns
Superaglomerados)
têm uma dimensão
característica
de 200.000.000
anos-luz e espessura
15.000.000 anos-luz
Você está aqui
nossa Galáxia
Parede vista de perfil
As Grandes Estruturas do Universo
Os grandes mapeamentos dos anos 1990
forneceram dados para cerca de 100.000
galáxias e mostraram que as grandes
“paredes” de galáxias são as maiores
estruturas do Universo, se interconectam
e circundam regiões vazias de objetos
luminosos
Os próximos mapeamentos dos anos 2000
fornecerão dados para cerca de 300.000.000
de galáxias !
As Grandes Estruturas do Universo
Uma rede de Superaglomerados
Você está aqui
Superaglomerado
da Virgem
Cada estrutura
deste tipo é um
superaglomerado
As Grandes Estruturas do Universo
Uma rede de Superaglomerados
Isto é uma
Grande Estrutura
Você está aqui
Vazios entre as
Grandes Estruturas
Imagem mais
profunda
do Universo, na
faixa de luz
visível .
Galáxias mais
distantes na
figura estão a
cerca de
10 bilhões de
anos-luz
Nosso Endereço
“Casa (Rua)” - PlanetaTerra
“Bairro” Sistema Solar
“Cidade” Via Láctea (Braço de Orion)
“Estado” Grupo Local
“País” Superaglomerado da Virgem
“Continente” - Alguma grande estrutura
Num Universo que contem
~ 100 bilhões de galáxias,
≈100.000.000.000 x100.000.000.000
de estrelas,
sendo maior que
12.000.000.000 de anos-luz
Filme: Viagem até o Centro
do Aglomerado da Virgem
~ 100.000.000 de anos-luz
Filme gentilmente cedido por Brent Tully
Parte da localização do Sol, segue caminho dentro da Nossa Galáxia,
- sai da Nossa Galáxia e mostra galáxias do Grupo Local,
- segue por um caminho através de uma estrutura de galáxias que
- vai até o aglomerado de Virgo
- termina na galáxia central do aglomerado de Virgo
O trajeto está todo contido na distância indicada pelas setas acima
Estrelas próximas ao Sol e todas as galáxias estão em suas posições
reais e são mostradas com imagens obtidas por telescópios na Terra
Principais objetos estão identificados nas fotos a seguir na ordem em
que aparecem no filme
Nebulosa de Orion (nebulosa gasosa)
objeto da Nossa Galáxia;
agrupamento de gás iluminado por
algumas estrelas;
região de formação estelar
Nebulosa da Cabeça do Cavalo
(nebulosa gasosa)
objeto da Nossa Galáxia;
agrupamento de gás iluminado por
algumas estrelas;
região de formação estelar
Nebulosa da Hélice (nebulosa planetária):
objeto da Nossa Galáxia;
gás ejetado por uma estrela e iluminado
por ela
Regiões de poeira da Nossa Galáxia;
Nebulosa do Caranguejo
objeto da Nossa Galáxia;
gás ejetado por uma explosão de
uma supernova
Região central da Nossa Galáxia;
Aglomerados estelares (globulares)
da Nossa Galáxia
Provável aparência da Nossa Galáxia
vista de cima
Imagem da Nossa Galáxia no filme é
baseada em medidas reais da
distribuição de estrelas mas é uma
composição em computador
As duas Nuvens de Magalhães:
pequenas galáxias irregulares, satélites
da Nossa Galáxia
Outras pequenas galáxias pertencentes ao
nosso Grupo Local de galáxias
Galáxias distantes formando uma
estrutura ligando o Grupo Local ao
aglomerado da Virgem
Galáxias
NGC 224 (Andrômeda, M31) e
NGC 598 (M33):
duas galáxias Espirais pertencentes ao
Nosso Grupo Local
Aglomerado da Virgem
Estrutura em forma de filamento
Aglomerado da Virgem
Galáxia Elíptica NGC 4486 (M87)
Galáxia central do Aglomerado da
Virgem
Da minha aldeia vejo
quanto da terra
se pode ver no Universo...
porque eu sou
do tamanho do que vejo
e não do tamanho
da minha altura...
(Alberto Caeiro)