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Galáxias - Via Láctea

Histórico: Modelos da Galáxia

Estrutura, Forma e Dimensões da Via-Láctea - Bojo, disco halo e barra - A Região Central - Rotação Diferencial - Braços Espirais

Sandra dos Anjos IAGUSP

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

Agradecimentos: Prof. Gastão Bierrenback e Prof. Vera Jatenco

Vimos na aula passada que entre as estrelas da nossa Galáxia, existe um meio, o Meio Interestelar-MIS, constituído por gás e poeira, além de raios cósmicos, partículas de altas energias e fótons.

Vimos, em particular, o gás e a poeira, e a transformação que a luz sofre ao atravessar nuvens do MIS, a produção da linha de 21cm do hidrogenio - que nos permite inferir sobre a estrutura dos braços da Galáxia, e também como as “linhas proibidas”, fenômeno possível somente no MIS, são formadas.

Nesta aula veremos como se consolidou o conhecimento sobre a estrutura, forma, dimensões, conteúdo estelar, e o movimento das estrelas na Galáxia, além de importantes fenômenos dinâmicos, recentemente explicados, que podem justificar a formação de braços no disco da Via Láctea.

Veremos que a informação sobre o comportamento da velocidade das estrelas no disco da Galáxia nos leva a um problema, ainda em aberto, conhecido como "Matéria Escura”

Origem do nome - Galáxias ...aparência nebulosa, esbranquiçada…!

Romano, Via - Láctea (caminho de leite)

Grego, Galáxia (leite)

d3

d4

d2

d1

Os vários métodos de determinação de distância serão vistos no final do próximo roteiro.

O conhecimento e a estimativa do tamanho e da estrutura da Galáxia dependem da determinação da “Distância a Estrelas".

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Nas 3 primeiras décadas do século XX astrônomos gradualmente deduziram o tamanho e estrutura da Galáxia utilizando o número de estrelas em função da distância.

Um tipo de estrelas conveniente para estas medidas são as estrelas variáveis do tipo Cefeida, cuja variabilidade é da ordem de 50-100 dias. Vimos especificamente este tema no Roteiro 17- Estrelas Variáveis.

• •

•

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A causa da variabilidade deste tipo de estrela é devido a contração e expansão física das camadas externas do envelope, causada por “oscilações de relaxação térmica”.

Neste tipo de estrela é possível utilizar a equação do Módulo de Distância para inferir a distância das estrelas, como descrito a seguir.

Se conheço o período, P, obtenho L ou magnitude absoluta (M) , via relação bem estabelecida do Período-Luminosidade de estrelas Cefeidas (figura abaixo). A distância pode ser então calculada observando-se o brilho aparente...

m(ap) – M(abs) = 5log d (pc) – 5 (expressão “quase correta”)

observada Obtida via Relação Período-Luminosidade P-L

...a partir de medidas de distâncias de estrelas, foi possível obter o primeiro modelo da forma da Galáxia, como veremos a seguir...

Primeiras Concepções sobre a Forma da Via-Láctea

Em 1750 Thomas Wright sugere que a Via Láctea seja uma casca esférica de estrelas.

Os “Universos ilhas” de Immanuel Kant.

Acreditava que a Via-Láctea era um entre outros “Universos ]Ilhas"

menos estrelas

maisestrelas

Descobrindo a Galáxia

Em 1785, William Herschel inicia estudos quantitativos realizando contagens de estrelas supondo que a luminosidade é a mesma para todas –> pode assim calcular as distâncias.

Imagina a Via Láctea como um disco, com o Sol próximo do centro, resultando na concepção desenhada acima.

Esta visão da Via Láctea vai predominar até o início do Séc. XX.

Sol

8 mil anos luz (2,5 kpc)

~300 milhões de estrelas


Descobrindo a Galáxia

Se contarmos o número de estrelas em direções opostas, o número é mais ou menos o mesmo.

A conclusão lógica é de que estaríamos no centro da distribuição das estrelas.

Mas falta um elemento neste raciocínio....considerar os efeitos que a poeira povoca na luz, modificando-a, e que só foram bem estabelecidos no início da década de 1930

Nós não podemos ver claramente além de ~2 kpc. - Luz visível é absorvida pela poeira.

Sol


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Um passo a mais.... : modelos de Kapteyn e Shapley

Kapteyn – aumenta a estatística, e assume que as estrelas tem L diferentes - encontra uma forma onde o Sol está quase no centro

Shapley – utiliza como traçador de distância aglomerados globulares

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Herschel, Kapteyn - Erraram porque não consideram obscuração (A) ou absorção (A)

galáctica devido aos efeitos sobre a luz no MIS. m – M = 5log d(pc) – 5 + A (absorção)

Shapley (ver próxima figura) - Usa aglomerados globulares, cuja distribuição espacial é quase

esferica no halo da Galáxia, e percebe que o Sol não se encontra no centro desta distribuição. Obtem um modelo bem mais realista.

Oort, Lindblad - Paralelamente, já sabiam pelos estudos dinâmicos que o Sol não

está no centro da VL.

No início do Séc. XX, Harlow Shapley nota que o Sol não está no centro da distribuição espacial de aglomerados globulares.

Conclui que o Sol não está no centro da Via Láctea.

Podemos ver aglomerados distantes.



A questão do tamanho da Galáxia e a natureza das nebulosas (principalmente as espirais) é central para a compreensão da Via Láctea.

Promove o “Grande Debate” de 1920:

Harlow Shapley acreditava que: Heber D. Curtis acreditava que:

- Via Láctea muito grande

- Sol a 20 kpc do centro

- Nebulosas fazem parte da galáxia

- Via Láctea pequena

- Sol está no centro

- Nebulosas são “universos ilhas”

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Via-Láctea: visão hojeConhecemos a estrutura da Galáxia graças as observações em rádio (gás) e IR (poeira) e

também pela comparação que podemos fazer com as outras galáxias observadas

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Visão atual da estrutura da Via Láctea vista de perfil e de face…

Estrutura - disco fino - disco espesso - halo - barra - bojo: componente brilhante na região central, onde estrelas de população velha e pobre em metais estão concentradas (?!) abriga núcleo denso de estrelas, radiofonte e BH (MBH ~ 4x106Msol. )Conteúdo: gás, poeira e estrelas, essencialmente…

Face Perfil

~ 120.000 al

Regiões HII Nuvens moleculares

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Galáxia vista em 8 filtros

Altura do gás molecular hmol=65pc -onde estrelas estão nascendo

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Visão atual da estrutura da Via Láctea vista de perfil e de face…

Estrutura

- disco fino - disco espesso - bojo: abriga núcleo denso de estrelas, radiofonte e BH (MBH ~ 4x106Msol ) - halo - barra

Conteúdo: gás, poeira e estrelas, essencialmente…

Face Perfil

Constituintes das Componentes da GaláxiaDisco- Estrelas de jovens e ricas em metais (população I – veremos adiante porque....)- Aglomerados abertos- Regiões HII - Nuvens moleculares, gás e poeira

Bojo- Estrelas velhas e pobres em metais (população II)

Halo

- Aglomerados globulares

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Tabela abaixo: Parâmetros e valores característicos para as componentes da VL.. A espessura do disco (escala de altura-h) denota a distancia a partir do Plano Galáctico para as quais a densidade (n) decresce

créditos: Peter Schneider – Extragalactic Astronomy and Cosmology

Gás Neutro Disco fino Disco espesso Bojo Halo estelar DarkMatter

M (1010MO) 0.5 6 0.2 a 0.4 1 0.1 55LB (1010LO) -- 1.8 0.02 0.3 0.1 0M/LB (M0/L0) -- 3 -- 3 ~1 --diametro(Kpc) 50 50 50 2 100 >200Altura -h (Kpc) 0.13 0.325 1.5 0.4 3 2.8[Fe/H] >0.1 -0.5 até +0.3 -1.6 até -0.4 -1 até 1 -4.5 até -0.5 --

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Vejamos com um pouco mais de detalhes o que sabemos sobre as Componentes Estruturais

BOJO - é a componente mais brilhante e onde as estrelas estão concentradas.

-Região brilhante confinada na região central da galáxia e mais espessa que o disco, com forma quase sempre elipsoidal

-Constituído basicamente de estrelas velhas, de população II

Contêm o núcleo ou centro galáctico

Galáxia vista de Face

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Núcleo na região central do Bojo

Galáxia vista de Perfil

Centro da Galáxia

Constelações e estrelas mais brilhantes na região do centro galáctico.

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CENTRO...conjunto de observações em diferentes comprimentos de onda

- Obs radio mostram um grupo de pequenos objetos conhecido como Sagitarius A (Sgr A)

- Não se sabe exatamente o tamanho

- Sítio de forte emissão X (fonte é Sgr A*) e mais recentemente obs em Infra vermelho (IR)

- Muitas nuvens com alta velocidade indicando grande quantidade de massa

- Segmento de braço se afastando do centro sugerindo evento explosivo

→ BN Supermassivo ou aglomerado denso? BN parece a hipótese mais promissora…(M~1.000.000 Msol)

Centro da Galáxia

Movimento de estrelas próximas do centro da Galáxia, observadas desde 1992.

Massa no interior de ~130 U.A. = 3,4 x 106 Mo. Buraco Negro Super Massivo.

Centro da Galáxia

• Massa no interior de ~130 U.A. = 3,4x106 M . Buraco Negro.

Centro da Galáxia

- Imagem no visível.

- Vários aglomerados abertos e globulares estão marcados.

- Janela de Baade:... região com pouca poeira por onde

observamos melhor o bojo.

- A luz difusa vem de muitos milhões de estrelas.

Centro da Galáxia...com infravermelho podemos observar através da poeira.

Infravermelho, campo de 50°.

Infravermelho, com destaque ao centro Galáctico.

Infravermelho, onde vemos centenas de estrelas próximas de Sagitário A*.

- Imagem em rádio em 333 MHz.- A fonte rádio Sagitário A* coincide com o centro da Via Láctea.- Observa-se vários restos de supernovas.

0,5°

- Binárias com anãs brancas, estrelas de nêutrons e/ou buracos negros.- Restos de supernovas.- Emissão associada a Sagitário A*.

Imagem em raios-X de Sgr A*

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DISCO: é a componente mais luminosa e tem a maior parte das estrelas. Possui fenômenos dinâmicos particulares como ondas de densidade, rotação diferencial, entre outros...

- d ~ 30Kpc – 50Kpc (120 mil a.l)- dSol ~ 8.5 Kpc- Pop I e II (essencialmente jovem - rica em metais)- Dados atuais → barra (2-3Kpc)- Disco estratificado (fino jovem e velho, espesso)- Braços – população jovem (I) - Gás + poeira confinados disco - Estrelas + MIS estão em rotação diferencial

…descobertas mais recentes incluem a presença de uma…BARRA!

Rotação da Galáxia

Rotação em torno do centro Galáctico.

Disco em Rotação

Curvas de rotação

Medimos a velocidade para corpos em várias distâncias do centro de rotação.Exemplo: No caso do Sistema Solar, esta rotação tem comportamento Kepleriano.

velocidadede rotaçãoouvelocidadeorbital

Curvas de Rotação

Comportamento da Curva de Rotação Galáctica “esperada”...2 regimes de comportamento

Ve

lo

ci

da

de

Raio Orbital

No caso da rotação rígida, todos os objetos deslocam-se à mesma velocidade angular, e a velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica (exemplo disco compacto ou DVD). Esse caso aplica-se de maneira aproximada às regiões mais internas da Galáxia.

2o- Rotação kepleriana no disco1o-Rotação rígida no bojo

• Para medir a velocidade de rotação precisamos levar em conta o movimento do Sol.

e nuvens moleculares

Medindo a rotação da Via Láctea• Difícil, pois estamos dentro do disco da Galáxia.• As flechas (vetores) indicam a velocidade orbital.

Medindo a rotação da Via Láctea• Um caminho para se chegar lá...• Escolha de alguns objetos típicos que se encontram nos braços

• Mapa feito com observações em rádio do hidrogênio neutro (HI).

e nuvens moleculares

centrogaláctico

Sol

Curva de rotação da Galáxia

• Até ≈ 15 kpc: regiões HII, estrelas O e B (visível, IV, rádio)• Além de ≈ 15 kpc: HI (rádio, 21cm)

• O Sol se move com cerca de 200--220 km/s.• O Sol está a cerca de 7,5--8,0 kpc do centro da Galáxia.• Logo, uma volta do Sol leva de 210--225 milhões de anos.

No último “ano Galáctico” a Terra estava no Triássico.



• Objetos que estão mais distantes do centro do que o Sol levam mais tempo para dar uma volta completa.

• Regime de rotação diferencial.


• Objetos que estão menos distantes do centro do que o Sol levam menos tempo para dar uma volta completa, e também podem estar em rotação diferencial.

• Na região do bojo da Galáxia as estrelas seguem um regime diferente de rotação, denominado rotação de corpo sólido. Neste regime, os objetos levam o mesmo tempo para dar uma volta completa. Vamos entender melhor esta situação....

rotação de corpo sólido

Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco Rotação Rígida x Rotação Kepleriana

No caso da rotação rígida, todos os

objetos deslocam-se à mesma velocidade angular (ver figura

abaixo), e a velocidade de

rotação aumenta linearmente com a

distância galactocêntrica.

No caso da rotação

diferencial, objetos mais

distantes viajam com velocidade menor do que os mais próximos ao

bojo.


• O que “segura” as estrelas, o gás, a poeira em órbita é a massa da Galáxia contida dentro da distância R.

• Se não há mais massa, a velocidade orbital deve diminuir com a distância, como no exemplo do Sistema Solar.

ve

lo

ci

da

de

raio

v ∝ R

v = cte


• A velocidade orbital constante a partir de um raio R implica que a massa aumenta com a distância ao centro da Galáxia:

ve

lo

ci

da

de

raio

v ∝ R

v = cte

Massa dentro da órbita

raio da órbita

• 3a. Lei de Kepler:

vµ√ MR

velocidade orbital


• Mas praticamente não observamos mais estrelas além de ≈ 16 kpc, e apenas pouco gás até ≈ 30 kpc.

• Logo, existe massa mas de natureza invisível.

• Matéria Escura.

ve

lo

ci

da

de

raio

v ∝ R

v = cte

massa ∝ raio

~16 kpc

Sol

Curva de Rotação da Galáxia...Problema da Matéria Escura

Massa de natureza invisível.

Halo de Matéria Escura

• O que pode ser a matéria escura?

• Gás (atômico ou molecular) que emite tão pouca radiação que não podemos vê-lo?

• Talvez as leis da dinâmica dos corpos (leis de Newton) não sejam válidas?

• Material “exótico” que interage apenas através da gravitação?

Créditos: Jose Wudka

Braços espirais

- São delineados por estrelas jovens, regiões HII, nuvens moleculares e poeira. - A Galáxia é uma espiral com 3 braços.- Mal definidos pelas estrelas velhas.- Muito mais fáceis de se identificar em outras galáxias.

centrogaláctico

Sol

M101 visível rádio Via Láctea

Assentados no disco observamos os braços espirais....

Braços espirais no disco Galáctico.

Como se formam? ...seriam eles formados pela matéria que gira no disco? ...ou seja, seriam braços materiais?

- Seriam desfeitos depois de um certo número de rotações.- Fato: observamos eles até hoje !

Persistência dos braços espirais Rotação dos Braços Espirais

1a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços.

ve

lo

ci

da

de

raio

v ∝ R

v = cte

vv

- 1a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços. NÃO !!! Porque?

vv

Braços Espirais

simulação

Rotação dos braços espirais.

1a possibilidade: rotação das estrelas que formam os braços.

Os braços espirais não são compostos pelas mesmas estrelas. Se fossem, eles se enrolariam sempre e acabariam desaparecendo devido à rotação diferencial

das estrelas do disco.

Estrutura EspiralBraços materiais: o problema do enrolamento

Conclui-se portanto que os braços espirais não se comportam como uma estrutura material que se espirala gradualmente devido à rotação diferencial do disco. Se fosse esse o caso, deveríamos observar galáxias com braços extremamente apertados devido ao efeito acumulado de dezenas de revoluções. Como não se observa objetos com este efeito na natureza..... Então, ou eles tem vida curta ou eles não são materiais

• 2a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco. Correta! • Teoria de ondas de densidade originalmente proposta por Bertil Lindblad e

posteriormente desenvolvida pelo matemático C. C. Lin e o astrônomo chinês Frank H. Shu nos anos 1960.

• Origem da compressão: congestionamento de órbitas.

• Órbitas ligeiramente elípticas, com eixo rodado por um pequeno ângulo.

Persistência dos Braços Espirais

2a possibilidade: onda de compressão, ou uma instabilidade que está se propagando pelo disco.

• A espiral em uma galáxia é como uma onda que se propaga no disco. A forma da espiral não muda, isto é, o padrão espiral gira como um corpo sólido (mas não é sólido!).

Persistência dos braços espirais

http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/BracoEspiral/index.html

Uma visualização deste processo consiste em imaginar a propagação de ondas em um líquido. Se o mesmo estiver em repouso teremos ondas circulares.

Mas o movimento de rotação faz com que esta estrutura ondulatória se modifique criando um padrão espiral.

Em repouso Em rotação

Rotação dos braços espirais.

2a possibilidade: onda de compressão se propagando pelo disco.

• A onda espiral se propaga com velocidade diferente das estrelas e nuvens.

• As nuvens são comprimidas quando atravessam a onda ocorrendo formação estelar.

• Estrelas massivas vivem pouco: estão próximas da onda.


• Congestionamento no disco provoca perturbação.

• Os braços espirais são ondas que se propagam pelo disco.


• As órbitas das estrelas não são exatamente circulares. Podemos decompor o movimento das estrelas em um movimento circular principal e oscilações radiais, tangenciais e verticais menores. A composição destes movimentos resulta em uma órbita elíptica.



• Os braços espirais e as estrelas não giram da mesma forma. Na região mais central, as estrelas giram mais rápido do que os braços. Na região mais externa o braço gira mais rápido do que as estrelas. Onde os braços e as estrelas giram com a mesma velocidade é chamado de raio de corrotação.


• As estrelas, seguindo suas órbitas elípticas e precessionadas uma em relação às outras, vão se acumular formando o padrão espiral.

• Note que a espiral não é feita pelas mesmas estrelas.

Braços espirais

Sol

• Braços são produzidos por uma perturbação no disco.

• Barras também são produzidas por uma perturbação.

• As estrelas, gás e poeira têm rotação diferencial.• O padrão espiral (e barras) giram com umavelocidade angular constante.

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Como explicar a formação da Galáxia… compatibilizando toda a diversidade de subestruturas e conteúdo de cada uma delas, além do comportamento cinemático?

Como estas subestruturas coexistem com tamanha diversidade em suas propriedades gerais?

Veremos no Roteiro 20 – Outras Galáxias, como foram estes objetos descobertos e o impacto causado na visão de Universo daquela época.

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