Galáxias: Via – Láctea

2a parte

- Rotação Diferencial - Braços Espirais

Sandra dos Anjos IAGUSP

www.astro.iag.usp.br/aga210/2017Agradecimentos: Prof. Gastão Bierrenback e Prof. Vera Jatenco

Vimos no Roteiro 20 as propriedades gerais da Galáxia, várias subestruturas e conteúdo geral destas sub-estruturas, bem como a região central da Galáxia que indica abrigar um buraco negro.

Neste Roteiro vamos ver 2 fenômenos dinâmicos fundamentais que ocorrem no disco de espirais: a rotação diferencial e a formação dos braços....

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DISCO - Componente que se constitui da maior parte das estrelas, gás e poeira. - Possui braços, fenômenos dinâmicos particulares como ondas de densidade e rotação diferencial..

- 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, e 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

Vel

ocidad

e

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...: 2 etapas• 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: usa-se como traçadores 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.

Curva de rotação da Galáxia

Curva de rotação da Galáxia

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

• Regime de rotação diferencial.

Curva de rotação da Galáxia

• 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

No caso da rotação rígida, todos os

objetos deslocam-se à mesma velocidade

angular - Vangular = Vlinear/R),

...e a velocidade de rotação aumenta linearmente com a distância galactocêntrica.

Órbita das estrelas ou objetos que estão no disco

Rotação Kepleriana

No caso da rotação diferencial, objetos mais distantes viajam com velocidade menor do que os mais próximos ao bojo

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 - Vangular = Vlinear/R),

e a velocidade de rotação aumenta

linearmente com a distância

galactocêntrica.

No caso da rotação

diferencial, objetos mais

distantes viajam com velocidade

angular menor do que os mais

próximos ao bojo

Curva de rotação da Galáxia

• O que “segura” as estrelas, o gás e 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 (ver fig. ao lado).

ve

lo

ci

da

de

raio

v ∝ R

v = cte

Curva de Rotação 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

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

∝

Curva de rotação da Galáxia

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

• Logo, conclui-se que existe massa, porém 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...o que se prevê pela teoria e o que se observa...

...problema da Matéria Escura

Se a CR continua crescendo, isto implica em que a massa também.Entretanto, não observamos objetos que possam traçar a CR além de 50 (x 1000 ly). Conclui-se que ela existe, porém de natureza invisível → Matéria escura

teoria

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

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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....

Vários braços espirais no disco Galáctico.

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

- Se assim o fosse, seriam desfeitos depois de um certo número de rotações.- Fato: observamos eles até hoje !- Vamos examinar mais detalhadamente esta possibilidade...

- 1a possibilidade: Braços espirais são materiais ? Resultam da rotação diferencial?

Após várias voltas, observa-se 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 de órbitas. Como não se observa objetos com este efeito na natureza..... Então, ou eles tem vida curta, ou eles não são materiais...

Imagine 4 estrelas em órbitas circulares

inicialmente alinhadas ao longo do centro galactico e

com velocidade linear, viajando em órbitas a

diferentes distancias...

Quando a estrela A completou ½ volta, as estrelas B, C e D completaram apenas

¼ de volta, ou menos...

Após 1 volta completa da estrela A, a estrela B

completou ½ volta e as estrelas C e D a

caminho ...

Quando a estrela A completa sua 2a órbita, a espiral continua a enrolar

ainda mais ...

vv

Simulação abaixo mostra que após várias voltas os braços se desmancham

• 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 ?

Braços Espirais

T = 0 -> instante inicial orbitas alinhadas T ≠ 0 -> órbitas desalinhadas devido ao congestionamento

…o efeito geral do movimento das estrelas a diferentes órbitas, portanto, a diferentes raios, gera o padrão espiral...que nada mais é do que uma instabilidade que se propaga pelo disco...

As órbitas ligeiramente elípticas tendem a se precessionar como resposta ao efeito da força de gravidade gerada pela onda de densidade. O acúmulo de órbitas próximas cria o padrão espiral observado abaixo...

• Origem da compressão: devido a congestionamento de órbitas das estrelas.• Órbitas ligeiramente elípticas, com eixo deslocado por um pequeno ângulo.

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: ondas circulares Em rotação: padrão espiral

• As órbitas das estrelas são elípticas. •

Simulação do movimento estelar em diferentes órbitas ao longo do disco das galáxias.Elas se desalinham devido ao congestionamento de estrelas → origem da perturbação que resulta em

uma forma Espiral !!!

As estrelas, seguindo suas órbitas elípticas e precessionadas umas em relação às outras, vão se acumular gerando uma instabilidade global que resulta no padrão espiral. Note que a espiral não é feita pelas mesmas estrelas.

Propagação das instabilidades

Simulação de uma onda de compressão.... ….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!).

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

Entendendo melhor como a instabilidade se mantêm...

"A Persistência dos Braços Espirais”

O excesso de densidade nos braços causa uma deflexão das estrelas próximas, que então se aproximam e se movem através da onda (instabilidade), realimentando a densidade do próprio braço …a estrela é puxada de sua órbita pelo braço espiral…criando assim, ao longo dos braços, uma onda de densidade…

Rotação dos braços espirais.

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

→ A onda espiral se propaga com velocidade diferente das estrelas e das nuvens moleculares. Esta se propaga como corpo sólido....→ Quando a onda espiral atravessa o material do disco que contêm gás, poeira....nuvens moleculares,

ela comprime o gás, gerando a formação de novas estrelas. → Estrelas massivas então nascem, traçam os braços espirais, mas vivem pouco. → Conforme a onda espiral se propaga, ela vai “acendendo” novas estrelas....

Mas a onda espiral que se propaga no disco encontra pelo caminho estrelas, gás e poeira (nuvens moleculares)....

Este efeito de passagem das estrelas pelos braços espirais é semelhante ao que ocorre em um engarrafamento de carros em uma rodovia. Para quem observa a partir de um helicóptero existe ali um excesso de veículos. Mas em cada instante a composição desta região se altera com a evolução gradual do tráfego.

Região do braço espiral

Persistência dos Braços Espirais ...um exemplo do dia-a-dia...

Congestionamento na estrada provoca perturbação....

Esta perturbação se propaga na estrada e não são sempre os mesmos carros que são responsáveis pelo congestionamento.

Nesta analogia, os braços espirais seriam gerados como consequencia das perturbações geradas pelo congestionamento de órbitas das estrelas. A propagação da onda de densidade por um disco constituído de estrelas, gás e poeira, comprime o gás, gerando assim novas estrelas. Como a forma da perturbação em grande escala é espiral, as estrelas que nascem vão traçar a mesma forma...gerando os braços espirais que observamos nas galáxias espirais.

Solução parcial ao problema do enrolamento…ondas de densidade

Em síntese: onda espiral de densidade é o resultado de uma perturbação gravitacional que se propaga no disco gerando um efeito de empilhar o material temporariamente na crista da onda e, que, como consequencia deste empilhamento forma novas estrelas...

Uma vez formadas vão então traçar temporariamente os braços, como vimos anteriormente…

Nesta analogia: ...o congestionamento das órbitas das estrelas provocaria uma perturbação que se propaga pelo disco gerando uma onda espiral . O gás e a poeira, seriam os carros...

Simulação mostrando a rotação da onda de densidade (espirais azul e vermelha) e a rotação das estrelas com o material do disco (pontinhos pretos)

• Os braços espirais, resultado da propagação da instabilidade, tem velocidade angular constante e giram como corpo rígido. As estrelas do disco têm velocidade diferencial.

• Como resultado da rotação diferencial, na região mais central, as estrelas giram mais rápido do que os braços. Na região mais externa os braços giram mais rápido do que as estrelas.

• Existe uma situação onde os braços e as estrelas giram com a mesma velocidade. É o que chamamos de Ressonância de Corrotação

→ Braços são produzidos por uma perturbação no disco. → Barras também são produzidas por uma perturbação. → O padrão espiral, bem como as barras, giram com uma velocidade 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 21 – Outras Galáxias, como foram estes objetos descobertos e o impacto causado na visão de Universo daquela época.