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Credit: ESO/Z. Bardon
Anatomia da nossa Galaxia
halo: estrelas + matéria
escura
disco fino: gas e estrelasdisco espesso:
estrelas
bojo: estrelas
aglomerados globulares: estrelas
120mil anos luz
https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Gaia/Gaia_creates_richest_star_map_of_our_Galaxy_and_beyond
1.7 bilhões de estrelas
OutlineO que é uma galáxia?
Anatomia de uma galáxia
Tipos "básicos" de Galáxias
História
Classificação Morfológica de Hubble
A bimodalidade dos tipos "básicos" Galáxias
Galáxias Anãs, Irregulares e ex. de Galáxias em Transformação
Evolução de Galáxias
Olhando para o futuro: Novos Telescópios
O que é uma galáxia?
http://www.cfht.hawaii.edu/en/news/EllGal/
Anatomia de uma galaxia genérica
estrelas: 10 milhões (galáxias anãs), 100 bilhões (Via Láctea), 100 trilhões (a maior conhecida)
gas, poeira: o material para a formação estelar
buraco negro central: 100 mil a 1 bilhão de massas do sol
halo de matéria escura: invisível porém a parte mais pesada da galáxia, 10 X mais massivo do que os
componentes visíveis
Existem ~100 bilhões de galáxias no Universo Observável
Tipos de Galáxias
Tipos de Galáxias "Grandes"
Early-Type Late-type★+ Azuis ★Disco ★Ricas em gás ★Estrelas Jovens
★+ Vermelhas ★+ redondinhas ★Pobres em gás ★Estrelas Velhas
História
Antiguidade, Hemisfério Sul: Provável observação a olho nu das Nuvens de Magalhães; Em 964, al-Sufi na Pérsia registra a Grande Nuvem de Magalhães. Registro histórico em 1519 por Fernando de Magalhães.
964 – Abd-al-Rahman al-Sufi, na Pérsia (903-986): Observação da “nebulosa” de Andrômeda – uma “pequena nuvem”. 1612 – Primeira observação de Andrômeda com telescópio por Simon Mayr.
1 6 5 0 – 1 7 5 0 : H o d i e r n a , Bu l l i a ldus, He ve l i us, Ha l l e y d i s c u t e m a n a t u re z a d a s “estrelas nebulosas” e começam a catalogá-las. 1781 – Catálogo de mais de 100 “nebulosas” de Charles Messier.
Durante a década de 1840, William Parson (Lord Rosse) construiu, na Irlanda, o que foi o maior telescópio do mundo por mais de meio século, com 1,83 metros de diâmetro. Assim, ele pôde pela primeira vez distinguir os braços espirais em algumas nebulosas.
Anna e Don York, 2011 Lord Rosse1800 -1867
J. Herschel 1833 Lord Rosse 1845 J. Chacornac 1862 Palomar 1985
M101 à
M51 é
1786/1802 – Catálogo de William Herschel e família; 1845 – Lord Rosse descobre a estrutura espiral de algumas
“nebulosas”.
Kant (1755): hipótese dos "universos-ilha": a Via Láctea é apenas uma galáxia a mais em um um vasto universo cheio de galáxias.
O catálogo de objetos difusos de Messier (1758-1782)
A Descoberta das Galáxias
Até 1908, cerca de 15.000 nebulosas haviam sido catalogadas e descritas. Algumas haviam sido corretamente identificadas como aglomerados estelares, e outras como nebulosas gasosas. A maioria, porém, permanecia com natureza inexplicada.
Principal pergunta: qual a distância das nebulosas espirais?
Shapley e Curtis (1920): O grande debate: O que são as "nebulosas espirais" (Academia Nacional de Ciências - EUA)
Harlow Shapley: defendeu a hipótese nebular convencional: são objetos da nossa Galáxia .
Heber Curtis: defendeu a hipótese dos universos-ilha: são outras galáxias como a nossa.
Debate inconclusivo!
O grande debate
As galáxias são objetos exteriores à Via Láctea
Andrômeda M31 Relação Período-Luminosidade
Em 1923 Edwin Powell Hubble (1889-1953) proporcionou a evidência definitiva para considerar as "nebulosas espirais" como galáxias independentes;Ao identificar variáveis Cefeidas na "nebulosa" de Andrômeda (M31) Hubble mediu a distância de 2,2 milhões de anos-luz até ela. Isso situava Andrômeda bem além dos limites da nossa Galáxia, que tem ~100 mil anos-luz de diâmetro.
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/multiwavelength_astronomy/multiwavelength_museum/m31.html
Andromeda (M31)
Esquema de classificação
de Edwin Hubble 1926
Elípticas
Espirais Irregulares
Tipos de Galáxias "Grandes"
Early-Type Late-type★+ Azuis ★Disco ★Ricas em gás ★Estrelas Jovens
★+ Vermelhas ★+ redondinhas ★Pobres em gás ★Estrelas Velhas
EspiraisAs 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.
Todas as espirais têm duas componentes morfológicas 1) disco composto de estrelas, gás e poeira. No disco encontra-se a estrutura espiral2) Esferoide de estrelas, com pouco gás e pouca poeira: núcleo, bojo e halo.- classificam-se de acordo com a tamanho do bojo e grau de enrolamento dos braços espirais.
Espirais OrdináriasOs braços espirais partem do núcleoSa núcleo maior, braços pequenos e bem enroladosSb núcleo e braços intermediáriosSc núcleo menor, braços grandes e mais abertos
Espirais BarradasEspirais barradas: os braços espirais partem de uma barra formada de estrelasSBa, SBb e SBc
➡fusões entre galaxias espirais podem criar galáxias esferoidais
Massa de Galáxias Espirais
M87
Aparência de uma esfera achatada, sem estruturas notáveis. Estão tão distantes que não podemos distinguir as estrelas individualmente.
Elípticas
NGC 3379 – E0 NGC 2768 – E6
a
b n = 10⋅(1 – b/a) E n
• Por exemplo, se a=1 e b=0,5 ➔ n = 10⋅(1 – 0,5/1) => E5
So possuem componente esferoidal
Classificadas segundo o grau de achatamento: E0 aparência esférica a E7 as mais achatadas.
Elípticas
SDSSSDSS
ElípticasGaláxias sem estruturas aparentes.
Quase não observamos galáxias elípticas mais achatadas do que E7 —> Dinamicamente instáveis e extremamente raras.
As mais brilhantes apresentam pouca ou nenhuma rotação.
Órbitas das estrelascom direçõesaleatórias.
Imagem do telescópio CFHT
Classificação morfológicaEm analogia com a nomenclatura da classificação estelar:
- galáxias elípticas e lenticulares foram chamadas por Hubble de "tipo precoce" (em inglês, early type);
- galáxias espirais e irregulares são de "tipo tardio" (em inglês late type).
Elípticas
Espirais Normais
Espirais barradasLenticulares Irregulares
galáxias são mais azuis
razão massa do disco/massa do bojomais gás e mais poeira
galáxias tipo precoces
galáxias tipo tardias
Morfologia e propriedades integradas
Aumenta taxa de formação estelar
Aumenta momento angular específico
galáxias tipo precoces
galáxias tipo tardias
Morfologia e propriedades integradas
galáxias tipo tardias
galáxias tipo precoces
No início, alguns astrônomos interpretaram a sequência de Hubble como uma evolução de tipo precoce para tipo tardio.Hoje entendemos que esta evolução não ocorre. Contudo, a terminologia continua a ser usada.
Morfologia e propriedades integradas
Reflexão I: classificação morfológica
Primeiro passo de uma ciência empírica é a procura por padrões e então tentar entender a física por detrás
O esquema proposto por Hubble tem sido refinado desde então
Atualmente procuramos definir famílias de galáxias através de suas propriedades físicas e correlações fundamentais — que refletem suas histórias de formação e evolução
Procuramos por propriedades de subsistemas dentro das galáxias (disco/halo/bojo) e deduzimos suas origens e evolução
+ azul+massiva + luminosa
-massiva -luminosa
+ vermelhaRed Sequence
Blue cloud
????
+ azul+massiva + luminosa
-massiva -luminosa
+ vermelhaRed Sequence
Blue cloud
Green Valley
Reflexão II: classificação morfológica
Morfologia e outras propriedades refletem as diferentes histórias de formação e evolução
Não envolvemos nesta descrição a matéria escura (que é a componente dominante)
Interpretação das diferentes morfologias —> diferenças nos históricos de formação estelar
Elípticas — > formaram a maior parte de suas estrelas cedo (usaram seu gás e têm estrelas velhas/mais vermelhas)
Espirais —> possuem formação estelar substancial acontecendo, não formaram tantas estrelas no início (ainda possuem muito gás)
+ vermelha+ azul
Fig.: David Hogg, SDSS
Baseada no óptico (banda B ou V).Galáxias brilhantes.Galáxias ~próximas.
Em nossa vizinhança, 1 - 2bilhões de anos-luz temos:
~70% Espirais; ~14% Lenticulares;~10% Elípticas; ~6% Irregulares.
A grande maioria das galáxias são anãs.
Galáxias Anãs, Irregulares e Galáxias em Transformação
Anãs
Ultra compactas
Liu et al. 2015
Anãs Eferoidais
Credit:NASA, ESA, S. Larsen (Radboud University, the Netherlands)
Fornax dSph
Apresentam estrutura irregular, caótica.
Foto das galáxias irregulares Grande Nuvem de Magalhães (esq) e Pequena Nuvem de Magalhães (direita), AAO
Irregulares
LMC -14Kpc 15ox13o
SMC -8Kpc 7ox4o
galáxias se movendo através do meio intra-aglomerado (gas quente) experimentam "um vento" pode ser forte o suficiente para remover o reservatório de gás frio resulta em caudas de maré de gas e poeira, pode acarretar em formação estelar lugar onde mais ocorre: partes mais internas de aglomerados de galáxias (quando existe um reservatório de gás quente)
“JellyFish Galaxies”
Galáxias Ultra-difusas
Beasley & Trujillo 2016
Ruiz-Lara 2018
Evolução de galáxias
Não podemos observar como uma galáxia evolui individualmente
Mas podemos observar diferentes galáxias em vários estágios de sua evolução
Estrelas Evoluem: elas nascem no meio interestelar, evoluem e morrem (ejetam seus envelopes de gás ou explodem)… enriquecem o meio interestelar…mais estrelas nascem
Estruturas Evoluem: Flutuações de densidade colapsam e se fundem de maneira hierárquica
Evidências observacionais de propriedades das galáxias vistas nos estágios iniciais do Universo
GN-z11 —> de um tempo que o Universo tinha apenas 3% de sua idade atual; é 25 x menor que a Via Láctea e tem apenas 1% da massa estelar da Via Láctea
Tempo
★Thomas et al.
Galáxias mais massivas tendem a ter surtos de formação estelar quando o Universo era mais jovem
Galáxias menos massivas formam estrelas de forma mais contínua
O começo da formação estelar depende do ambiente que a galáxia reside
Evolução de galáxias
Tempo
★Whitaker et al.
A sequencia principal da formação estelar das galáxias varia com o redshift
Evolução de galáxias
História Cosmica da Formação Estelar
★Dickenson & MadauTempo
Formação de galáxias massivas em 2-fases
Oser+10
2a fase: acreções z<3
in situ 1st phase
z>2
in situ 1a fase
z>2
Evolução de galáxias Elípticas
Huang et al. (2016)
…?
http://www.cfht.hawaii.edu/en/news/EllGal/
Van der Wel et al. 2011
Red Nuggets
NGC 1277
Beasley et al. (2018)
z ~ 2
Evoluíram passivamente
Propriedades análogas às Red Nuggets do Universo primordial:
★ Compactas (Re ~ 1 kpc)
★ População estelar velha ( T > 8 bilhões de anos)
★ Massivas (~1011 M☉)
Galáxias “relíquias”
Evolução dos tamanhos de galáxias massivas -- Buitrago+08
Ta, mas e ai? Como que podemos juntar tudo isso para criar um cenário consistente
de Formação (e evolução) de galáxias?
Como fazer uma galáxia? flutuações iniciais
novos discos podem se formar e crescer ao
redor de um esferóide se o gás fica mais frio
formação de
estruturas
discos formados nesses halos de
matéria escura de gas em processo de
esfriamento
fusões entre galáxias discos formam galaxias de esferoidais
‘rede cosmica’ de halos de matéria escura em rotação
mais fusões podem ocorrer
★By Steven Bamford
➡ Simulação de materia escura mostrando a formação de estruturas resultante da gravidade “atraindo” a materia para os picos de mais alta densidade
★Millenium Simulation
➡ A maior parte da matéria está em halos de diferentes tamanhos ➡ Os halos começam pequenos e então se fundem para criar estruturas cada vez maiores.
★Millenium Simulation
Gas torna tudo mais complicado —> muitas perguntas em aberto!★Illustris Simulation
Considerações FinaisGaláxias são os blocos fundamentais do Universo observável
???Como que as galáxias construíram sua massa??? —> matéria escura é dominante e não pode ser observada diretamente
???Como o gás é convertido em estrelas e vice versa??? —> processos são observados mas difíceis de modelar
Fronteiras atuais: sondagens fotometria + espectroscópicas aliadas a simulações numéricas cosmológicas
Perspectivas com novos Telescópios
JWST TMT
GMTELT LSST
2021
2022
2027
2024
2019
http://writing.galaxyzoo.org/
