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Galáxias peculiares e formação de galáxias

Gastão B. Lima Neto Vera Jatenco-Pereira

IAG/USP

AGA 210 – 1° semestre/2017

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. –  Contínuo no azul

mais forte que no vermelho.

peculiares

normais

azul vermelho

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 “peculiar”

(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.

imagem visível

imagem rádio

imagem visível+rádio

Exemplo de uma galáxia com núcleo ativo

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 e raios-gama.

•  Linhas de emissão largas e intensas, contínuo aumenta para o azul/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

•  Natureza dos Quasares muito discutida até as primeiras imagens do telescópio espacial Hubble a partir de 1994.

•  Apenas com ótima qualidade de imagem 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: a galáxia fica ofuscada.

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.

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, isto é, matéria caindo no buraco negro.

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.

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”: caudas de maré

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 precisão 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




Consequência das colisões •  Transformação morfológica:

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

•  Aumento da taxa de formação estelar se houver gás em pelo menos uma das galáxias: –  galáxias mais

brilhantes e azuis.

•  Aumento da atividade nuclear: o gás pode ser levado ao centro da galáxia –  quasares, seyferts e

radiogaláxias.

(massas semelhantes)

(massas diferentes)

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 (“assédio”, comum em aglomerados de galáxias).

–  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


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”: largura do tronco e galhos é proporcional à massa das galáxias.




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.


•  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.

Elípticas

Lent

icul

ares

Espirais

www.illustris-project.org/media/

Imagens (g, r, i) de galáxias simuladas em z=0 (presente).

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