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Universidade Federal do ABC Jessica Gonçalves de Sousa E-mail: [email protected] Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II

Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II · 2017-09-17 · Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas. ... supermassivos em galáxias ativas. Evolução das Galáxias

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Universidade Federal do ABC

Jessica Gonçalves de Sousa

E-mail: [email protected]

Ensino de Astronomia UFABC Aula: Galáxias II

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Formação das Galáxias

● Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas.

● Mas como elas surgiram?

● Elas evoluem?

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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

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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

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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

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Nessas nuvens, eram formadas as estrelas devido ao

colapso entre gás e poeira.

Formação das Galáxias

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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.

Formação das Galáxias

https://www.youtube.com/watch?v=y29RqyYdknw

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A grande maioria das Galáxias 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.

Formação das Galáxias

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Há dois fatores neste processo que podem ser

responsáveis pelas diferenças entre as galáxias elípticas

e as galáxias espirais.

Formação das Galáxias

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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

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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

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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

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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.

Formação das Galáxias

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Evolução das Galáxias

O Universo começou com o Big Bang, e apenas 1

bilhão de anos depois começaram a surgir as

primeiras galáxias.

No início, o gás resultante do nascimento do Universo

sofreu algumas sobredensidades.

Zonas de maior densidade aconteceram por processos

que podiam ser espontâneos.

Através dessas sobredensidades, o gás e a poeira

começaram a se contrair, dando origem as primeiras

estrelas.

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● A medida que o gás e a poeira iam se contraindo,

começavam a surgir as nuvens protogalácticas.

● Porém, somente essas sobredensidades não

explicam o surgimento de todas as galáxias e muito

menos suas evoluções.

● Assim, precisamos entender como funciona a interação

entre essas estruturas.

Evolução das Galáxias

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● Ao contrário das estrelas, galáxias têm tamanhos

consideráveis em comparação às distâncias entre

elas.

● As distâncias são muito grandes, mas o tamanho

das galáxias também é.

Evolução das Galáxias

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● Se essa interação existe, o conceito dos “Universos

Ilhas” não faz sentido.

● É possível observar galáxias interagindo, dessa

forma, sabemos que esse processo é real.

Evolução das Galáxias

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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

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● Podem acontecer dois tipos de interação entre as

galáxias:

● Colisão

● Fusão

Evolução das Galáxias

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As galáxias podem colidir. Quando colidem, elas na verdade

se atravessam mutuamente – em geral, as estrelas que elas

contêm não se chocam devido às grandes distâncias que as

separa.

Colisão de Galáxias

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● A interação que acontece entre as

estrelas é gravitacional, um

processo chamado fricção

dinâmica.

● Imagine um corpo, por exemplo uma

galáxia anã ou um aglomerado,

passando pelo “mar” de estrelas

de uma galáxia maior.

● Esse corpo atrai as estrelas, que

vão se aglomerando atrás dele e

puxando-o para trás.

Colisão de Galáxias

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● Por conta desse acumulo de massa atrás do corpo que está

passando pela galáxia, surge uma força contrária ao seu

movimento, o que o faz frear, por isto o nome fricção.

● A velocidade com que o corpo atravessa a galáxia influencia a

força sentida por ele. Quando mais rápido o corpo atravessa a

galáxia, menos fricção dinâmica ele sofre.

● Caso o corpo seja uma galáxia satélite ou um aglomerado

globular, a velocidade mais importante é a velocidade de

rotação desses corpos.

Colisão de Galáxias

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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

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Fusão de Galáxias

A fusão é uma das etapas mais importantes para a formação e

evolução das galáxias.

É através da fusão que as galáxias podem ganhar, ou perder,

massa e momento angular.

Se duas galáxias colidem com velocidade muito alta, as

estrelas não têm tempo para alterar suas posições, uma vez que

a fricção dinâmica é inversamente proporcional à velocidade.

Elas acabam atravessando uma a outra sem frear demais.

Porém, as estrelas ganharam um pequeno empurrão,

aumentando sua energia cinética.

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Fusão de Galáxias

E qual a consequência desse aumento na energia

cinética?

A galáxia aumenta de tamanho

ou

Material é expulso da galáxia

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Fusão de Galáxias

Um exemplo dessa fusão pode ser visto na galáxia

Roda de Carruagem.

Uma das galáxias atravessou a outra, não se sabe ao

certo qual, isso causou a expulsão de material em

forma de anel, com 46 kpc de diâmetro, onde ocorre

formação estelar.

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Galáxia Roda de Carruagem

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Outro exemplo de fusão é o que está acontecendo agora entre

as Nuvens de Magalhães e a Via Láctea. As Nuvens de

Magalhães já passaram diversas vezes pelo Disco Galáctico

da Via Láctea, e serão completamente incorporadas em

nossa Galáxia em 14 bilhões de anos.

Fusão de Galáxias

Em cor de rosa: a corrente magellânica, gás que

foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas

passagens pelo disco.

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• Fusões e canibalismo:

Fusões acontecem entre galáxias de tamanhos

semelhantes. Canibalismo acontece entre galáxias de

tamanhos diferentes.

Evolução das Galáxias

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Tidal Stripping

Galáxias não são pontos, elas

possuem tamanho e volume

consideráveis, assim, elas sofrem

forças de maré causadas pelo campo

gravitacional de outras galáxias.

Se uma galáxia ultrapassa seu tidal

radius, que é o limite no qual o gás

está ligado gravitacionalmente à

galáxia, ela perde material para outra

galáxia.

Tidal Stripping, é o análogo galáctico

de uma estrela ultrapassando seu

limite de Roche.

https://www.youtube.com/watch?v=AcAMw29zXx0

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Tidal Stripping

Esse processo é provavelmente a causa de alguns fenômenos, como:

A corrente magellânica, a faixa de matéria que vemos na Via Láctea vindo das Nuvens de Magalhães.

Os anéis em galáxias de anéis polares, como em NGC 4650A, uma galáxia S0 com anel polar.

As faixas de poeira em algumas galáxias elípticas, como a NGC 5128.

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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”.

Formação de Galáxias

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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.

Formação de Galáxias

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Buracos Negros

Binários

Nas fusões de grandes

galáxias há a formação

de um Buraco Negro

Supermaciço Binário

Buracos Negros

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Buracos Negros

Binários

Quando chegam muito

perto, se orbitam

emitindo ondas

gravitacionais, assim

espiralando ainda

mais para o centro de

massa.

Buracos Negros

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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.

Buracos Negros

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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

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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

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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

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Distribuição das Galáxias

● Aglomerados pobres: contêm menos de mil galáxias.

● Aglomerados ricos: contêm mil ou mais galáxias. O

aglomerado de Virgo é um Aglomerado Rico e Irregular.

● Seu centro fica a 16 Mpc da Terra, e tem um diâmetro de ~3 Mpc.

● É composto por:

● 250 galáxias grandes, entre eles três elípticas gigantes perto

do centro, cada uma do tamanho do Grupo Local;

● E mais de 2000 pequenas galáxias.

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http://apod.nasa.gov/apod/ap110422.html

Aglomerado de galáxias de Virgo

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O superaglomerado de Virgem também é um exemplo

de aglomerado rico, com mais de 2,5 mil galáxias.

Distribuição das Galáxias

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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Earth's_Location_in_the_Universe_SMALLER_(JPEG).jpg

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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.

Distribuição das Galáxias

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Lei de Hubble

Hubble descobriu que a velocidade de afastamento

das galáxias distantes é proporcional à distância até

elas.

Se a velocidade de afastamento das galáxias é

proporcional à distância delas até nós, então estamos

no centro da expansão?

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Lei de Hubble

Estaria a Terra no centro do Universo?

Não! O Universo se expandindo uniformemente, sendo homogêneo e isotrópico, faz com que qualquer ponto veja os outros pontos se afastando com velocidades proporcionais às suas distâncias.

Desse modo, qualquer ponto se “sente” o centro do Universo.

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Lei de Hubble

A Lei de Hubble, além de ajudar a provar a expansão

do Universo, também fornece um método para

medir distâncias até uma galáxia.

Como a luz de galáxias distantes leva tempo para

chegar até nós, os objetos que observamos com

redshifts altos são como eles eram no passado, ou

seja, quando o Universo tinha uma idade menor.

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Lei de Hubble

Assim, o redshift funciona como uma medida para a idade e o tamanho do Universo na época em que a luz foi emitida.

Quanto maior o redshift, menor era o tamanho do Universo e mais novo ele era.

Usando o efeito redshift podemos observar a distribuição espacial das galáxias.

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Galáxias Ativas

● Existem alguns tipos especiais de galáxias com

características únicas. Chamamos elas de Galáxias

Ativas.

● Elas mostram sinais de atividade violenta em diferentes

faixas espectrais.

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Mostram sinais de atividade violenta em várias faixas

espectrais. Essa atividade é causada por seus núcleos

chamados AGNs (Energia dos Núcleos Ativos de

Galáxias).

Galáxias Ativas

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Galáxias Ativas

Elas têm uma variedade bastante grande 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.

A energia dos AGNs vem da acreção de matéria ao Buraco

Negro central, é a transformação de energia potencial

gravitacional em energia radiativa + energia cinética dos

jatos.

A acreção se dá através de um “disco de acreção”, que se

forma ao redor do buraco negro.

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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.

Galáxias Ativas

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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

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Modelo Unificado para os AGNs

Galáxias Ativas

O toro de poeira:

(concepção artística)

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Galáxias Seyfert

São na maioria espirais, compõem poucos % de todas as

galáxias e são frequentemente acompanhadas por outras

galáxias. Elas possuem núcleos brilhantes.

Galáxias Ativas

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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

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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.

Galáxias Ativas

Centauro A, localizada na constelação do

Centauro, é uma das radiogaláxias mais

estudadas.

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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

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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

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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.

Galáxias Ativas

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Observação de órbita completa de estrela (S2) em torno de Sgr A*: BN

com 2x10^6 Msol (Genzel et al. Out. 2002)

Buracos Negros

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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

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Resultado de

observações com

o Telescópio

Espacial Hubble:

o

sBNs

supermassivos é

proporcional à

massa do bojo

da galáxia

Buracos Negros

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Como pode ocorrer

o crescimento do

bojo junto com o

do BN:

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Época da formação dos BNs supermassivos: junto com

as galáxias, quando o Universo tinha uns 2 bilhões de anos

de idade. 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

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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.

Para a densidade típica de estrelas no

centro das galáxias, frequência destes

eventos é de 1 a cada 10.000 anos.

Buracos Negros

Consequências de um BN no centro de uma galáxia

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Observação:

Não dá para resolver disco

de acreção espacialmente,

mas no espaço de

velocidades: Perfil da linha

de emissão Há do H largo e

de duplo pico.

Interpretação:

Disco de gás girando a alta

velocidade (~10000 km/s)

Buracos Negros

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Buracos Negros

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• 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....

Buracos Negros

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• Quasares, Radio Galáxias, Seyfert e Galáxias Ativas em

geral: fase na vida de uma Galáxia, em que um BN central

está recebendo matéria;

• Atividade mais intensa, maior taxa de acreção de matéria;

• BNs supermassivos presentes em toda as galáxias,

crescendo junto com elas; na maior parte do tempo estão

quietos, pois estão sem “combustível”;

• Combustível pode ser: matéria 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;

Conclusão

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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.