universidade federal do abc ensino de astronomia na ufabc•o universo começou com o big bang, e...
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Galáxias IIFormação e Evolução
Yuri Fregnani
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
Ensino de Astronomia no Grande ABC
• 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.
Ensino de Astronomia no Grande ABC
• Ao contrário das estrelas, galáxias têm tamanhosconsideráveis em comparação às distâncias entreelas.
• As distâncias são muito grandes, mas o tamanhodas galáxias também é.
Ensino de Astronomia no Grande ABC
• 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?
Ensino de Astronomia no Grande ABC
• Podem acontecer dois tipos de interação entre asgaláxias:
•Colisão
•Fusão
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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.
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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.
Ensino de Astronomia no Grande ABC
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.
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Fusão
• E qual a consequência desse aumento na energiacinética?
• A galáxia aumenta de tamanho
ou
• Material é expulso da galáxia
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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.
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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.
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Em rosa: a corrente magellânica, gás que foi arrancado das Nuvens de Magalhães nas passagenspelo disco, e onde se encontram várias galáxias anãs.
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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:
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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.
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http://apod.nasa.gov/apod/ap130704.html
Galáxia M82
Formação estelar
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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.
O Problema de Múltiplos Corpos
• 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.
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Galáxias AntenasSimulação X Realidade
O Problema de Múltiplos Corpos
• 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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http://apod.nasa.gov/apod/ap030930.html
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.
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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.
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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
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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.
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Galáxias Elípticas
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.
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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.
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M87
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.
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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.
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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).
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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.
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Galáxias Ativas
• Existem ao menos três tipos de galáxias ativas:
• Quasares
• Rádio-galáxias
• Galáxias Seyfert
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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.
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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”.
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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”.
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• 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.
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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.
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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.
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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.
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Resumo
• Sabemos que as galáxias podem apresentar duastonalidades:
• Azul – Ricas em gás Grande formação deestrelas
• Vermelha – Pobres em gás Baixa formação deestrelas
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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.
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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.
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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.
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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.
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Colisão entre a Via Láctea e Andrômeda
https://www.youtube.com/watch?v=fMNlt2FnHDg
Até mais, e Obrigado pelos Peixes!
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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