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Galáxias IIFormação e Evolução

Yuri Fregnani

Fregnani@gmail.com

Universidade Federal do ABC – Ensino de Astronomia na UFABC

http://apod.nasa.gov/apod/ap071001.htmlThe Small Cloud of Magellan

• Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas.

• Mas como elas surgiram?

• Elas evoluem?

Ensino de Astronomia no Grande ABC

• O Universo começou com o Big Bang, e apenas 1bilhão de anos depois começaram a surgir as primeirasgaláxias.

• No início, o gás resultante do nascimento do Universosofreu algumas sobredensidades.

• Zonas de maior densidade aconteceram por processosque podiam ser espontâneos.

• Através dessas sobredensidades, o gás e a poeiracomeçaram a se contrair, dando origem as primeirasestrelas.

• https://www.youtube.com/watch?v=kif4ON6QOPE

• A medida que o gás e a poeira iam se contraindo,começavam a surgir as nuvens protogalácticas.

• Porém, somente essas sobredensidades nãoexplicam o surgimento de todas as galáxias e muitomenos suas evoluções.

• Assim, precisamos entender como funciona ainteração entre essas estruturas.

• Ao contrário das estrelas, galáxias têm tamanhosconsideráveis em comparação às distâncias entreelas.

• As distâncias são muito grandes, mas o tamanhodas galáxias também é.

• Se essa interação existe, o conceito dos “UniversosIlhas” não faz sentido.

• É possível observar galáxias interagindo, dessaforma, sabemos que esse processo é real.

• Mas o que acontece nessa interação?

• Podem acontecer dois tipos de interação entre asgaláxias:

•Colisão

•Fusão

http://apod.nasa.gov/apod/ap140119.html

Galáxias espirais em colisão

IC 2163NGC 2207

Colisão• Como sabemos, a distância que separa as

estrelas é muito grande, logo, quando ocorreuma colisão entra as galáxias, as estrelas emgeral não sofrem nenhum tipo de choque entreelas.

• A interação que acontece entre as estrelas égravitacional, um processo chamado fricçãodinâmica.

• Imagine um corpo, por exemplo uma galáxiaanã ou um aglomerado, passando pelo “mar”de estrelas de uma galáxia maior.

• Esse corpo atrai as estrelas, que vão seaglomerando atrás dele e puxando-o para trás.

Colisão

• Por conta desse acumulo de massa atrás do corpo queestá passando pela galáxia, surge uma força contráriaao seu movimento, o que o faz frear, por isto o nomefricção.

• A velocidade com que o corpo atravessa a galáxiainfluencia a força sentida por ele. Quando mais rápidoo corpo atravessa a galáxia, menos fricção dinâmica elesofre.

• Caso o corpo seja uma galáxia satélite ou umaglomerado globular, a velocidade mais importante é avelocidade de rotação desses corpos.

Fusão

• A fusão é uma das etapas mais importantes para a formação eevolução 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 estrelasnão têm tempo para alterar suas posições, uma vez que a fricçãodinâmica 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.

Fusão

• E qual a consequência desse aumento na energiacinética?

• A galáxia aumenta de tamanho

• Material é expulso da galáxia

Fusão

• Um exemplo dessa fusão pode ser visto na galáxiaRoda de Carruagem.

• Uma das galáxias atravessou a outra, não se sabeao certo qual, isso causou a expulsão de materialem forma de anel, com 46 kpc de diâmetro, ondeocorre formação estelar.

Galáxia Roda de Carruagem

Fusão

• Outro exemplo de fusão é o que está acontecendoagora entre as Nuvens de Magalhães e a ViaLáctea.

• As Nuvens de Magalhães já passaram diversasvezes pelo Disco Galáctico da Via Láctea, e serãocompletamente incorporadas em nossa Galáxia em14 bilhões de anos.

Em rosa: a corrente magellânica, gás que foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagenspelo disco, e onde se encontram várias galáxias anãs.

Tidal Stripping - Remoção de material por forças de maré

• Galáxias não são pontos, elaspossuem tamanho e volumeconsideráveis, assim, elas sofremforças de maré causadas pelo campogravitacional de outras galáxias.

• Se uma galáxia ultrapassa seu tidalradius, que é o limite no qual o gásestá ligado gravitacionalmente àgaláxia, ela perde material paraoutra galáxia.

• Tidal Stripping, é o análogo galácticode uma estrela ultrapassando seulimite de Roche.

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

Tidal Stripping - Remoção de material por forças de maré

• Esse processo é provavelmente a causade alguns fenômenos, como:

NGC 4650A

NGC 5128

• As faixas de poeira em algumas galáxiaselípticas, como a NGC 5128.

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

• A corrente magellânica, a faixa de matériaque vemos na Via Láctea vindo das Nuvensde Magalhães.

Galáxias Starburst

• Um possível resultado da interação entre galáxias,são as galáxias starburst. Elas são galáxias comuma taxa de formação estelar extremamente alta,de 10 a 300 MSol/ano.

• Essa formação estelar pode ocorrer no núcleo, ouno disco inteiro, e é provocado pelo colapso do gáse da poeira, uma vez que quase todo momentoangular da galáxia se perdeu na interação violentacom uma outra galáxia.

Galáxia M82

Formação estelar

O Problema de Múltiplos Corpos

• Ainda não temos ferramentasmatemáticas que resolvam esse tipo deproblema que envolve múltiplos corposinteragindo, conseguimos resolverapenas problemas que envolvem doiscorpos.

• Para superar isso, é feito o uso desupercomputadores, que conseguemsimular vários corpos interagindo,formando um sistema que evolui com otempo.

• Na prática, as interações entre galáxias são muito complexas, já que elassão formadas por milhões de estrelas, além do gás, poeira, matériaescura e o possível buraco negro supermaciço em seu núcleo.

• Uma das primeiras simulações foi feita pelos irmãosToomre em 1972.

• Eles modelaram duas galáxias, com núcleos e discos de,mais ou menos, 50 “estrelas”.

• Apenas calcularam as forças aplicadas pelos núcleos nasestrelas, conseguindo reproduzir alguns sistemas, comoM51 e as Antenas.

• Também conseguiram mostrar que galáxias irregulares,como a M82 são resultado de interações gravitacionais.

Galáxias AntenasSimulação X Realidade

• As simulações mais modernas conseguem incluir cerca de100 mil estrelas, além do gás, poeira e Matéria Escura.

• Elas levam em consideração as várias interações entre osdiversos componentes da galáxia.

• Em alguns resultados, estas simulações mostram que oshalos de Matéria Escura reduzem o tempo que leva para afusão das galáxias.

• As simulações indicam que as galáxias tendem a evoluirpara galáxias elípticas através da fusão.

Simulação mais recente das galáxias Antenas

Como se formou a Via Láctea, afinal?

• O modelo mais aceitohoje, para explicar aformação da Via Láctea,é o Modelo Hierárquicode Fusões, propostoSearle e Zinn em 1978.

• Nesse modelo, estruturasmenores se formamprimeiro, e vão sefundindo para formarestruturas maiores.

Como se formou a Via Láctea, afinal?• Logo após o Big Bang houve flutuações de densidade

bastante grandes, de até 1012MSol.

• Essas flutuações na densidade se contraíram, formandoestrelas. Em alguns casos, até mesmo formandoaglomerados globulares.

• Essas estruturas eram praticamente galáxias anãs.

• As estruturas no centro das flutuações formaram-se maisdensas, se desenvolvendo rapidamente, o que deu a elasuma maior metalicidade. Essa é a origem do bojo, o Proto-Bojo.

Como se formou a Via Láctea, afinal?• As zonas de densidade mais

afastadas eram menores epossuíam uma metalicidademais baixa. Eram atraídas para ocentro.

• Chegando perto do centro, essasestruturas eram rompidas porforças de maré, o que originou asestrelas do Halo.

• Apenas cerca de 10% dosAglomerados Globularessobreviveram as forças de maré,dando origem aos AglomeradosGlobulares do Halo.

Como se formou a Via Láctea, afinal?• As estruturas formadas

longe das flutuações dedensidade e com menormassa, sobrevivem atéhoje, compondo as atuaisgaláxias satélites da ViaLáctea.

• Algum dia serãoincorporados na Galáxia,como as Nuvens deMagalhães e a galáxia deSagitário, por exemplo.

Como se formou a Via Láctea, afinal?• Fragmentos longe de qualquer

sobredensidade maior talvezsobreviverão “para sempre”como galáxias anãs.

• O gás dos fragmentos rompidoscaiu para o centro e, tendo ummomento angular por causa detorques de nuvensprotogalácticas, formou umdisco.

• Dentro deste disco, algumasnuvens conseguiram resfriar eformar estrelas. Era a origem doDisco Espesso.

Galáxia anã Fornax

Como se formou a Via Láctea, afinal?• Depois de formado o Disco Espesso, o gás que sobrou,

ainda mais enriquecido, se manteve no plano comescala de altura ~600 pc.

• Inicialmente, este disco auto manteve esta espessura,partes que resfriavam se contraíam, começavam aformar estrelas, se reaqueciam e reexpandiam.

• Com o tempo a formação de estrelas fez a densidadedo gás diminuir, o que fez a formação estelar tambémdiminuir, e assim o disco se reduziu a 350 pc. Esse é oDisco Fino.

Como se formou a Via Láctea, afinal?• Por fim, o gás que sobrou se resfriou ainda mais, se contraindo

para um disco de ~100 pc, o atual Disco de gás e poeira da ViaLáctea.

• Para as estrelas jovens encontradas no Bojo, a explicação é que,em fusões recentes com galáxias satélites ricas em gás, este gásse concentrou no disco e no centro, formando novas estrelas.

• A Barra Central da Galáxia parece ajudar na migração de materialpro centro, como se fornecesse um caminho até ele.

• Assim, parece que a Via Láctea se formou da fusão de váriasgaláxias anãs.

https://www.youtube.com/watch?v=VQBzdcFkB7w

Galáxias Elípticas

• Muitas elípticas foram provavelmente formadas porum colapso similar àquele que deu origem às espirais,com a diferença que não havia gás sobrando para aformação de um disco.

• Isto explica as baixas metalicidades encontradas nelase a falta de gás.

• Como vimos, as galáxias elípticas que possuem gásprovavelmente o adquiriram depois da sua formação.

Galáxias Elípticas

• Já as elípticas gigantes são provavelmente resultadosdas fusões de galáxias espirais, como aquelas vistasnas simulações de colisão de múltiplos corpos.

• Nesse processo os discos são destruídos e o gás,expulso.

• Uma possível causa das elípticas serem resultados defusões é o fato de que elípticas são mais frequentesem ambientes densos.

Galáxias cDs

• O auge de fusões de galáxiasdevem ser as galáxias cD,galáxias gigantes nos centros deAglomerados de galáxias comtamanhos de até 1 Mpc ecentenas de vezes a massa da ViaLáctea.

• Muitas têm núcleos múltiplosque se orbitam com velocidadesmuito altas, cerca de 1000 km/s,velocidade muito mais alta que adas estrelas, 300km/s.

• Elas devem ser o resultado defusões de muitas galáxias.

Buracos Negros Binários

• Em fusões de galáxias grandesé inevitável a formação de umBuraco Negro SupermaciçoBinário.

• Os Buracos Negros centraisdas galáxias envolvidasmigram para o centro da novagaláxia por fricção dinâmica.

• Em NGC 6240, os dois BuracosNegros se encontram a umadistância de ~1 kpc um dooutro.

O Buraco Negrobinário em NGC 6240nos raios X (Chandra)

Buracos Negros Binários

• Quando os Buracos Negroschegam muito pertos, eles seorbitam e emitem ondasgravitacionais (já detectadas(2016) https://goo.gl/9D5Ukx),assim perdendo momentoangular e aproximando aindasua órbita.

• No final há uma fusão deBuracos Negros, resultando emum Buraco Negro ainda maior.

• Acredita-se que assim foramformados os Buracos Negroscentrais de galáxias gigantes.

Galáxias Ativas

• Existem alguns tipos especiais de galáxias comcaracterísticas únicas. Chamamos elas de GaláxiasAtivas.

• Elas mostram sinais de atividade violenta emdiferentes espectros de observação.

• Essa atividade é causada por seus núcleoschamados AGNs (Active Galactic Nuclei - Energiados Núcleos Ativos de Galáxias).

Galáxias Ativas

• Elas têm uma variedade bastante grande de formas e“cores”, mas podem ser descritas por um modelounificado que afirma que a atividade é devido a umBuraco Negro Supermaciço no núcleo.

• A energia dos AGNs vem da acreção de matéria aoBuraco Negro central, é a transformação de energiapotencial gravitacional em energia radiativa + energiacinética dos jatos.

• A acreção se dá através de um “disco de acreção”, quese forma ao redor do buraco negro.

Galáxias Ativas

• Existem ao menos três tipos de galáxias ativas:

• Quasares

• Rádio-galáxias

• Galáxias Seyfert

Quasares

• Um quasar (quasi-stellar radiosource, ou fonte de rádioquase estelar) é um objetoastronômico distante epoderosamente energético.

• Seu núcleo galáctico éextremamente ativo.

• Um único quasar emite entre100 e 1000 vezes mais luz queuma galáxia inteira com 100bilhões de estrelas como a ViaLáctea.

Quasar observado em Raio-X

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e8/Quasar_viewed_from_Hubble.jpg

Imagem do Hubble mostrando o núcleo de um quasar

Rádio-galáxias

• Quando observadas diretamente, geralmente têm aaparência de uma galáxia elíptica grande.

• Sua natureza é revelada quando observadas em ondasde rádio e normalmente apresentam uma estruturadupla com dois lóbulos emissores localizados um emcada lado da galáxia.

• No referencial da Terra, esses jatos se propagam comvelocidade próxima à da luz, o que causa um efeitorelativístico chamado headlight effect, ou “efeito farol”.

Centauro A, localizada na constelação do Centauro

https://antoniofdiazbustos.files.wordpress.com/2013/02/centauro-a-multiespectro.jpg

Rádio-galáxias

• Quase toda a radiaçãoé emitida “pra frente”,e quase nada “pra trás”.

• Quando o jato faz um ângulo pequeno com a linha deobservação, o lado apontando pra nós aparece muitomais brilhante.

• Além disso, o outro lado, chamado contrajato, pode seencontrar atrás de um disco de poeira, o que o tornainvisível para nós.

Galáxias Seyfert

• Galáxias mais próximas de nós, cujo espectro nuclear ésemelhante aos dos Quasares, mas menos luminoso.

• Consegue-se observar a galáxia “hospedeira” comfacilidade.

• São na maioria espirais, mas em uma porcentagempequena de todas as galáxias, são frequentementeacompanhadas por outras galáxias.

• Possuem um núcleo brilhante.

NGC 4151, “Olho de Sauron”

Formação de Galáxias no Início do Universo• A mais distante e, portanto, a

mais antiga, imagem de galáxiasque temos é o Hubble UltraDeep Field.

• Essa imagem retrata o Universocomo ele era a 13 bilhões deanos atrás, cerca de 400 à 800milhões de anos após o Big Bang.

• Estima-se que haja 10 milgaláxias dentro da área estudapelo telescópio Hubble.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Hubble_ultra_deep_field.jpg

Formação de Galáxias no Início do Universo

• Apesar da maioria dos pontos visíveis no HUDF possam ser observadas em infravermelho a partir da terra, o telescópio Hubble é o único instrumento capaz de fazer observações dessas estruturas distantes com comprimentos de onda da luz visível.

• Elas tinham aparências bem diferentes das galáxias atuais.

• Deve se tratar de fragmentos proto-galácticas.

Resumo

• Como vimos, as galáxias possuem interaçõescomplexas entre elas e o ambiente a sua volta,dependendo de diversos fatores para a suaevolução.

• Um dos fatores determinantes para a evolução dasgaláxias é a sua massa. É ela quem vai definirpropriedades como luminosidade e formação deestrelas, por exemplo.

Resumo

• Sabemos que as galáxias podem apresentar duastonalidades:

• Azul – Ricas em gás Grande formação deestrelas

• Vermelha – Pobres em gás Baixa formação deestrelas

Resumo

• A evolução das galáxias pode acontecer por doisprocessos:

• Colisões – Troca de gás e poeira, pode dar início a umanova fase de formação estelar, entretanto, as estrelasdas galáxias não sofrem nenhum tipo de colisão direta.

• Fusão – Galáxias se encontram e se juntam, formandouma nova galáxia. A Via Láctea está passando por umprocesso de fusão com as Nuvens de Magalhães.

Resumo

• As fusões de galáxias podem ter três resultados:

• Azul + Azul = Azul Quando uma galáxia comgrande massa se junta com uma de pouca massa.

• Azul + Azul = Vermelha Quando as duas galáxiastem massas semelhantes.

• Vermelha + Vermelha = Vermelha Como ambastem pouca gás, não haverá formação de estrelas.

Esquema Simplificado

O Futuro da Galáxia

• Vimos que a galáxia de Andrômeda era umaexceção entre as outras, em vez de estar seafastando de nós, Andrômeda sofre um blueshift,ou seja, está chegando cada vez mais perto.

• Andrômeda está se aproximando da Via Láctea a120 km/s.

O Futuro da Galáxia

• Em cerca de 4 bilhões de anos, as duas maioresgaláxias do Grupo Local irão colidir, formando umagaláxia elíptica gigante.

• Algum tempo depois, a galáxia Triângulo se juntaráa essa nova galáxia.

• O Sistema Solar provavelmente vai sobreviver àfusão, mas deve parar mais longe do centro danova galáxia, ou será expulso.

Colisão entre a Via Láctea e Andrômeda

https://www.youtube.com/watch?v=fMNlt2FnHDg

Até mais, e Obrigado pelos Peixes!

Referências

• Quadro resumido com o surgimento das galáxias -https://goo.gl/hT6M37

• Infográfico com algumas curiosidades sobre galáxias -http://astronomyisawesome.com/infographics/10-galaxies-and-weird-facts/

• Colisões de galáxias Gastão, B. Lima Neto IAG/USP -http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/seminarios/ColisoesGalaxs_6_2008.pdf

• Aula do professor Pieter Westera -http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/AstroAula12.pdf

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