Galáxias peculiares e formação de galáxias

Gastão B. Lima Neto Vera Jatenco-Pereira

IAG/USP

AGA 210 – 1° semestre/2016

www.astro.iag.usp.br/~aga210/

Galáxias peculiares Quasares Radiogaláxias Colisões de galáxias Colisão da Via Láctea com M31 Formação de galáxias

Galáxias normais e peculiares

•  Peculiaridade do ponto de vista espectroscópico. –  linhas de emissão

largas e intensas.

peculiares

normais

Aparência normal, espectro peculiar

•  Mesmo com espectro peculiar, a galáxia pode apresentar uma morfologia normal.

–  apenas o núcleo é mais brilhante que o normal.

NGC 7742

M106

espectro

(mas a aparência também pode ser peculiar)

linhas de emissão largas e intensas

Descoberta dos núcleos ativos de galáxias

•  No início do Séc. XX, E.A. Fath e E.P. Hubble notam que algumas “nebulosas” têm linhas de emissão mais largas e intensas.

•  Em 1943, C.K. Seyfert nota que as espirais de núcleo mais brilhantes têm linhas de emissão largas: –  hoje chamamos estas galáxias de “Seyferts”.

•  Em 1954 Baade & Minkowiski identificam a primeira radiogaláxia, Cygnus A. –  a emissão rádio é associada à atividade do núcleo da galáxia.

•  Em 1962, é identificado o primeiro Quasar, (Quasi-Stellar Radio source). –  no óptico parece uma estrela, descoberto como fonte rádio.

Quasar ou QSO •  Aparência estelar. Também

chamamos QSO (Quasi-Stellar Object).

•  Foram inicialmente descobertos

pela emissão em ondas de rádio.

•  Hoje sabemos que a maioria (90%) é “rádio-silencioso”.

•  Também são fontes luminosas no infravermelho, ultravioleta e raios-X.

•  Linhas de emissão largas e intensas, contínuo aumenta para o ultravioleta.

•  Distante, portanto muito energético.

fonte puntiforme rádio: inicialmente chamada de “rádio estrelas”

10-16

10-15

800 1000 3000 5000 7000

f � [

erg

s–1 c

m–2

Å–1

]

�repouso [Å]2000 9000

Ly�

NV

Ly�

Ly�

Ly�

O IVO I

Si IVO IV]

C IV

C III]

C II]

[Ne IV]

Mg II[Ne V] H�

C IV

[O III]

H�

H�[O III]

H�[Si II]

[O II]

[Ne III]

QSO espectro mediano SDSS

1500

ultravioleta visível

Quasar ou QSO

•  Imagens do telescópio espacial Hubble depois de 1994.

•  Apenas com ótima qualidade podemos distinguir a galáxia que hospeda o núcleo ativo (isto é, um Quasar).

•  A luminosidade do núcleo é maior ou igual que todo o resto da galáxia.

galáxia hospedeira

outra galáxia

galáxia colidindo

cauda de gás e poeira

Espectro eletromagnético

•  Comparação entre a distribuição de energia em função do comprimento de onda ou frequência de um Quasar e da Via Láctea.

•  Não é apenas na luz visível que os Quasares são brilhantes, eles brilham mais no Infravermelho, Ultravioleta e Raios-gama.

Radiogaláxias •  Estão geralmente associadas às galáxias elípticas gigantes. •  A emissão rádio apresenta diversas morfologias.

•  Fonte de energia está no núcleo.

•  Emissão por mecanismo Síncrotron.

Direção daradiação

Direção docampo elétrico

Elétron

Campomagnético

Radiogaláxias •  Exemplo: Centauro A, galáxia elíptica a 4 Mpc.

•  No visível, parece uma elíptica com uma peculiaridade: muita poeira.

•  Em rádio e raios-X há um jato que vem do núcleo. •  Estes jatos observados em rádio e raios-X indicam processos muito

energéticos.

NASA/ESO/MPIfR/CfA

O motor dos núcleos ativos •  Núcleos ativos apresentam variabilidade na luminosidade.

–  período da variação � dimensão da fonte.

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Portanto: tamanho ≈ velocidade X período de variação

O motor dos núcleos ativos •  Núcleos ativos apresentam variabilidade na luminosidade.

–  período da variação � dimensão da fonte.

•  Variação de horas corresponde a uma fonte do tamanho do sistema solar!

tamanho ≈ veloc. da luz X período de variação Variação em poucas horas: ==> tamanho ~ horas-luz = unidades astronômicas

O motor dos núcleos ativos •  Luminosidade de Quasares está entre 1010 a 1013

luminosidades solares. •  Esta energia é produzida em um volume menor do que o

sistema solar.

•  Queda de matéria em um buraco negro supermassivo.

•  O acréscimo de 1 massa solar/ano gera 1039 Watts (~1012 luminosidades solares). –  A luminosidade total da Galáxia é ~3,5×1010L�.

A fonte é a energia potencial gravitacional da matéria que cai no buraco negro.

Muito mais eficiente que reações nucleares.

Teoria unificada de núcleos ativos •  As galáxias de núcleos ativos aparecem de modos diferentes para

nós, observadores: –  Quasares, QSOs, radio-galáxias, Seyferts, LINERs, BL Lac, Blazares, etc. –  Seyferts são quasares de baixa luminosidade; –  Blazares são QSOs que apresentam grande variabilidade do contínuo. –  LINERs (Low Ionization Nuclear Emission-line Region) são núcleos ativos

de baixa energia. –  BL Lac, inicialmente classificada como uma estrela peculiar, é um QSO

com emissão contínua muito forte.

•  Toda esta fauna corresponde à manifestação do mesmo fenômeno.

•  O chamado Modelo Unificado de núcleos ativos de galáxias foi proposto na década de 1980.

•  No coração desse modelo está o motor que produz a energia observada dos núcleos ativos.

Fauna de galáxias ativas

•  Classificação pela aparência do espectro visível. W. Keel comprimento de onda [Å]

Teoria unificada de núcleos ativos •  Duas

propriedades: –  luminosidade

intrínseca –  ângulo de

observação

•  Dependência da posição relativa do objeto em relação ao observador.

•  Dependência da taxa de queda de matéria no buraco negro supermassivo central.

Teoria unificada de núcleos ativos •  Com o tempo, esgota-se o combustível do núcleo ativo.

–  A galáxia deixa de ter um Quasar no núcleo.

•  Na Via Láctea há um buraco negro supermassivo no centro. –  possivelmente já passou por uma fase de núcleo ativo.

•  Uma galáxia pode voltar a ter um núcleo ativo quando “canibaliza” uma outra rica em gás.

bilhões de anos no passado

dens

idad

e de

Qua

sare

s

Galáxias normais e peculiares

•  peculiaridade morfológica: irregulares.

Galáxias não são “universos-ilhas”

•  ~60% das galáxias se encontram em algum tipo de associação: pares, grupos, aglomerados.

•  Anos 1970: Galáxias irregulares (peculiares) são resultado de interações gravitacionais.

Toomre & Toomre 1972�

•  Simulação da passagem de uma galáxia anã esférica próxima de um disco (galáxia espiral).

Dificuldades observacionais

•  Observa-se um “instantâneo” das interações;

•  Observa-se apenas uma projeção;

•  Qualidade da observação: (resolução, sensibilidade).

Sexteto de Seyfert (HCG79)

esta galáxia está distante, atrás do grupo

Dificuldades teóricas •  Sistema gravitacional de muitos corpos.

•  Tratamento do movimento do gás (hidrodinâmica).

•  Formação estelar, explosões de Supernovas e núcleos ativos.

Sexteto de Seyfert (HCG79) Super computador para cálculo numérico no IAG: Alphacrucis

Simulações numéricas

•  Fazemos um modelo com N-corpos (pontos).

•  Cada “ponto” tem massa, posição e velocidade conhecida.

•  A posição e a velocidade são avançadas passo a passo por um programa de computador.

•  Usamos as leis da física.

Simulação de uma colisão

•  Galáxia anã atravessa o disco de uma galáxia espiral.

Simulação de uma colisão

•  Galáxia anã atravessa o disco de uma galáxia espiral.

Galáxia “Roda de carruagem”

Qual destas galáxias anãs é a “culpada”?

imagem do telescópio espacial Hubble

Galáxia “Roda de carruagem”

Contornos da emissão de hidrogênio.

Colisão de galáxias de mesma massa

•  Colisão de duas galáxias espirais V. Springel�

Colisão de galáxias de mesma massa

•  Colisão de duas galáxias espirais de massas aproximadamente iguais.

"Camundongos" NGC 4676

J. Barnes

Colisão de galáxias de massas iguais •  Galáxia “Antena”.

Via Láctea e M31: uma colisão no futuro?

•  A colisão quase frontal deve ocorrer em cerca de 3,8 bilhões de anos. •  O resultado, em cerca de 7 bilhões de anos, será a fusão e a formação de uma galáxia elíptica gigante.

J.Dubinski 2000

M31 tem uma velocidade radial de 120 km/s na direção da Via Láctea, mas não conhecemos com precião a velocidade transversal de M31.

Via Láctea e M31: uma colisão no

futuro? •  Como a colisão entre a

Via Láctea e M31 poderia ser vista da Terra.

•  Estas imagens são extremamente especulativas, provavelmente a Terra não vai mais existir nas etapas finais da fusão entre estas 2 galáxias.

•  Além disto, a trajetória do Sol é imprevisível em um intervalo de tempo tão grande.

3,75 bilhões de anos

7 bilhões de anos

hoje

www.nasa.gov/mission_pages/hubble/ science/milky-way-collide.html

(ESA; Z. Levay, R. van der Marel, STScI; T. Hallas, A. Mellinger)

4 bilhões de anos

2 bilhões de anos

3,85 bilhões de anos

3,9 bilhões de anos

5,1 bilhões de anos

Consequência das colisões •  Transformação morfológica:

–  Espiral + Espiral ou Elíptica => Elíptica gigante –  Espiral + anã => Espiral ou Lenticular? –  Elíptica + anã => Espiral?

•  Aumento da taxa de formação estelar: –  galáxias mais

brilhantes e azuis.

•  Aumento da atividade nuclear: –  quasares e

radiogaláxias.

Consequência das colisões •  Colisões lentas de uma galáxia anã com a Via

Láctea:

Consequência das colisões •  Colisões lentas (vorbital < vinterna)

–  Fusão das galáxias

•  Colisões rápidas (vorbital > vinterna) –  Massas comparáveis:

•  Grande perturbação da morfologia

–  Massas muito diferentes (anã + galáxia gigante) •  Pequena ou nenhuma transformação morfológica; a menor é canibalizada.

Sol

Anã de Sagitário

Colisões de galáxias (HST). Observamos fusões de galáxias

em vários estágios. Fenômeno comum no Universo.

Formação de estruturas em grande escala

Simulação numérica mostrando a expansão do universo seguido pelo colapso de uma estrutura comparável a um aglomerado de galáxias. Aqui só é simulada a matéria escura (que é a componente de maior massa). A formação de objetos no Universo, de estrelas a super-aglomerados de galáxias, decorre da instabilidade gravitacional. Regiões com massa acima de um valor crítico colapsam.

(z é como um “relógio”; z = 0 é hoje)

Illustris Simulation (www.illustris-project.org/media/). Springel +2014: rodando em 8192 cores durante 14 semanas

evolução da distribuição de matéria �  formação da “teia cósmica” �  formação de galáxias em halos de matéria escura

evolução da temperatura do gás � aquecimento do gás em aglomerados de galáxias � aquecimento por “feed-back” de núcleos ativos e supernovas. Simulação em uma “caixa” que expande junto com o Universo.

(10 Mpc de lado)

Formação de galáxias

•  120 milhões de anos •  490 milhões de anos •  1,2 bilhões de anos

•  2,2 bilhões de anos •  6 bilhões de anos •  13,7 bilhões de anos

z =27,4 z =9,8 z =5,0

z =3,0 z =1,0 z =0,0

Formação de estruturas em grande escala: “teia cósmica”

•  490 milhões de anos •  1,2 bilhões de anos

•  13,7 bilhões de anos

z =9,8 z =5,0

z =1,0 z =0,0

Formação de galáxias

Resultados de simulações numéricas

•  Vermelho estrelas velhas; azul estrelas jovens. •  Galáxias mais vermelhas estão nas regiões mais densas do Universo (aglomerados). •  As galáxias mais azuis, com formação estelar contínua (como a Via Láctea) estão em

nos filamentos e nos grupos.

2,2 bilhões de anos 3,3 bilhões de anos

6 bilhões de anos 13,7 bilhões de anos

Cenário colapso monolítico •  Cenário proposto para formação da Via Láctea em 1962 por Ollin

Eggen, Donald Lynden-Bell e Allan Sandage. As galáxias se formariam a partir do colapso de uma grande massa de gás.

Nuvem de hidrogênio e hélio primordial, com um pouco de rotação, começa a colapsar devido à gravitação

Algumas estrelas se formam

Algumas estrelas se formam no halo. O gás se acumula em um disco em rotação rápida: lá, estrelas se formam.

Supernovas enriquecem o meio com metais.

Não há mais formação de estrelas no halo. O gás permite a formação de estrelas até hoje no disco.

•  Previsões: –  Estrelas do disco têm movimento circular e se formam gradualmente; –  Estrelas do halo e aglomerados globulares têm movimento radial e se formam

rapidamente.

100 kpc 30 kpc

•  Problemas do cenário monolítico: –  Existem aglomerados relativamente ricos em metais; –  Muitas estrelas do halo giram no sentido inverso do disco.

108 anos 1010 anos

Cenário hierárquico: “bottom–up scenario”

•  Modelo proposto em 1978 por Leonard Searle e Robert J. Zinn.

•  Pequenas galáxias (massa < 107 M�) se formam por colapso.

•  Fusão de pequenas galáxias, gradualmente até formação de galáxias gigantes.

“árvore de fusões”

13,7 bilhões de anos

5,7 bilhões de anos

3,2 bilhões de anos

Cenário Monolítico × Hierárquico •  Colapso monolítico: formação do bojo e galáxias anãs;

•  Acréscimo hierárquico: formação do disco de espirais pelo canibalismo de galáxias anãs ricas em gás. Formação de elípticas por grandes fusões de galáxias.

•  Para entendermos as propriedades das galáxias, incluindo a Via Láctea, além do mecanismo de formação é preciso levar em conta a evolução desses objetos.

•  � Evolução secular. –  Crescimento do bojo (pseudo-bojo);

–  Formação e destruição de barras em galáxias espirais;

–  Transformação de espirais em lenticulares.

•  � Dependência com o meio ambiente –  Em aglomerados e grupos, observamos principalmente Elípticas e

Lenticulares

–  No campo, observamos principalmente Espirais.

Formação de galáxias

•  Conhecemos muito sobre formação de galáxias mas ainda temos a aprender. A maior dificuldade está na interação do gás com supernovas e núcleos ativos de galáxias.