Galáxias II Formação e Evolução

(1)

Galáxias II

Formação e Evolução

Yuri Fregnani

Fregnani@gmail.com

(2)

• Galáxias são estruturas gigantes e dinâmicas.

• Mas como elas surgiram?

• Elas evoluem?

(3)

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

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

• Zonas de maior densidade aconteceram por processos que podiam ser espontâneos.

• Através dessas sobredensidades, o gás e a poeira começaram a se contrair, dando origem as primeiras estrelas.

(4)

(5)

• A medida que o

gás e a poeira

iam

se contraindo

,

começavam a surgir as

nuvens protogalácticas

.

• Porém, somente essas

sobredensidades não

explicam

o surgimento de todas as galáxias e muito

menos suas evoluções.

• Assim, precisamos entender como funciona a

interação entre essas estruturas.

(6)

• Ao contrário das estrelas, galáxias têm

tamanhos

consideráveis

em comparação às

distâncias entre

elas

.

• As

distâncias

são

muito grandes

, mas o

tamanho

das galáxias

também é

.

(7)

(8)

• Se essa interação existe, o conceito dos

“Universos

Ilhas” não faz sentido

.

• É

possível observar

galáxias interagindo, dessa

forma, sabemos que esse

processo é real

.

• Mas o que acontece nessa interação?

(9)

• Podem acontecer dois tipos de interação entre as

galáxias:

•Colisão

•Fusão

(10)

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

Galáxias espirais em colisão

IC 2163 NGC 2207

(11)

Colisão

• Como sabemos, a distância que separa as

estrelas é muito grande, logo, quando ocorre

uma colisão entra as galáxias, as estrelas em

geral não sofrem nenhum tipo de choque entre

elas.

• A interação que acontece entre as estrelas é gravitacional, um processo chamado fricção dinâmica.

• Imagine um corpo, por exemplo uma galáxia

anã ou um aglomerado, passando pelo “mar”

de estrelas de uma galáxia maior.

• Esse corpo atrai as estrelas, que vão se

(12)

Colisão

• Por conta desse acumulo de massa atrás do corpo que está passando pela galáxia, surge uma força contrária ao seu movimento, o que o faz frear, por isto o nome fricção.

• A velocidade com que o corpo atravessa a galáxia

influencia a força sentida por ele. Quando mais rápido o corpo atravessa a galáxia, menos fricção dinâmica ele sofre.

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

(13)

Fusão

• A fusão é uma das etapas mais importantes para a formação e

evolução 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 estrelas

não têm tempo para alterar suas posições, uma vez que a fricção dinâmica é inversamente proporcional à velocidade.

• Elas acabam atravessando uma a outra sem frear demais. Porém, as estrelas ganharam um pequeno empurrão,

(14)

Fusão

• E qual a consequência desse aumento na energia

cinética?

• A galáxia aumenta de tamanho

ou

• Material é expulso da galáxia

(15)

Fusão

• Um

exemplo dessa fusão

pode ser visto na galáxia

Roda de Carruagem

.

• Uma das

galáxias atravessou a outra

, não se sabe

ao certo qual, isso

causou a expulsão de material

em forma de anel

, com 46 kpc de diâmetro

, onde

ocorre formação estelar

.

(16)

(17)

Fusão

• Outro exemplo de

fusão

é o que

está acontecendo

agora entre as

Nuvens de Magalhães

e a

Via

Láctea

.

• As

Nuvens de Magalhães

já passaram diversas

vezes pelo

Disco Galáctico da Via Láctea

, e serão

completamente incorporadas

em nossa Galáxia em

(18)

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

(19)

Tidal Stripping - Remoção de

material por forças de maré

• Galáxias não são pontos, elas

possuem tamanho e volume

consideráveis, assim, elas sofrem

forças de maré causadas pelo campo gravitacional de outras galáxias.

• Se uma galáxia ultrapassa seu tidal

radius, que é o limite no qual o gás está ligado gravitacionalmente à

galáxia, ela perde material para

outra galáxia.

• Tidal Stripping, é o análogo galáctico

de uma estrela ultrapassando seu

(20)

Tidal Stripping - Remoção de

material por forças de maré

• Esse processo é provavelmente a causa

de alguns fenômenos, como:

Ensino de Astronomia no Grande ABC

NGC 4650A

NGC 5128

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

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

• A corrente magellânica, a faixa de matéria que vemos na Via Láctea vindo das Nuvens de Magalhães.

(21)

Galáxias Starburst

• Um possível resultado da interação entre galáxias,

são as

galáxias starburst

. Elas são galáxias com

uma

taxa de formação estelar extremamente alta

,

de 10 a 300 M

_Sol

/ano.

• Essa

formação estelar

pode ocorrer no

núcleo

, ou

no

disco inteiro

, e é provocado pelo

colapso do gás

e da poeira

, uma vez que quase todo

momento

angular

da galáxia

se perdeu na interação violenta

(22)

http://apod.nasa.gov/apod/ap130704.html

Galáxia M82

Formação estelar

(23)

O Problema de Múltiplos Corpos

• Ainda não temos ferramentas matemáticas que resolvam esse tipo de problema que envolve múltiplos corpos interagindo, conseguimos resolver apenas problemas que envolvem dois corpos.

• Para superar isso, é feito o uso de supercomputadores, que conseguem

simular vários corpos interagindo, formando um sistema que evolui com o tempo.

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

(24)

O Problema de Múltiplos Corpos

• Uma das primeiras simulações foi feita pelos irmãos Toomre em 1972.

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

• Apenas calcularam as forças aplicadas pelos núcleos nas estrelas, conseguindo reproduzir alguns sistemas, como

M51 e as Antenas.

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

(25)

(26)

O Problema de Múltiplos Corpos

• As simulações mais modernas conseguem incluir cerca de

100 mil estrelas, além do gás, poeira e Matéria Escura.

• Elas levam em consideração as várias interações entre os

diversos componentes da galáxia.

• Em alguns resultados, estas simulações mostram que os

halos de Matéria Escura reduzem o tempo que leva para a fusão das galáxias.

• As simulações indicam que as galáxias tendem a evoluir

para galáxias elípticas através da fusão.

(27)

(28)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• O modelo mais aceito hoje, para explicar a formação da Via Láctea, é o Modelo Hierárquico de Fusões, proposto Searle e Zinn em 1978.

• Nesse modelo, estruturas

menores se formam

primeiro, e vão se

fundindo para formar estruturas maiores.

(29)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• Logo após o Big Bang houve flutuações de densidade bastante grandes, de até 1012_M

Sol.

• Essas flutuações na densidade se contraíram, formando estrelas. Em alguns casos, até mesmo formando aglomerados globulares.

• Essas estruturas eram praticamente galáxias anãs.

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

(30)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• As zonas de densidade mais

afastadas eram menores e

possuíam uma metalicidade mais baixa. Eram atraídas para o centro.

• Chegando perto do centro, essas

estruturas eram rompidas por forças de maré, o que originou as

estrelas do Halo.

• Apenas cerca de 10% dos

Aglomerados Globulares sobreviveram as forças de maré, dando origem aos Aglomerados Globulares do Halo.

(31)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• As estruturas formadas longe das flutuações de densidade e com menor massa, sobrevivem até hoje, compondo as atuais galáxias satélites da Via Láctea.

• Algum dia serão

incorporados na Galáxia,

como as Nuvens de

Magalhães e a galáxia de

(32)

(33)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• Fragmentos longe de qualquer

sobredensidade maior talvez

sobreviverão “para sempre”

como galáxias anãs.

• O gás dos fragmentos rompidos

caiu para o centro e, tendo um momento angular por causa de torques de nuvens protogalácticas, formou um disco.

• Dentro deste disco, algumas nuvens conseguiram resfriar e formar estrelas. Era a origem do

Disco Espesso.

(34)

Como se formou a Via Láctea,

afinal?

• Depois de formado o Disco Espesso, o gás que sobrou, ainda mais enriquecido, se manteve no plano com escala de altura ~600 pc.

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

• Com o tempo a formação de estrelas fez a densidade do gás diminuir, o que fez a formação estelar também diminuir, e assim o disco se reduziu a 350 pc. Esse é o Disco Fino.

(35)

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 Via Láctea.

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

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

• Assim, parece que a Via Láctea se formou da fusão de várias

galáxias anãs.

(36)

(37)

Galáxias Elípticas

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

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

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

(38)

(39)

Galáxias Elípticas

• Já as elípticas gigantes são provavelmente resultados das fusões de galáxias espirais, como aquelas vistas nas simulações de colisão de múltiplos corpos.

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

• Uma possível causa das elípticas serem resultados de fusões é o fato de que elípticas são mais frequentes em ambientes densos.

(40)

(41)

Galáxias cDs

• O auge de fusões de galáxias

devem ser as galáxias cD,

galáxias gigantes nos centros de

Aglomerados de galáxias com tamanhos de até 1 Mpc e centenas de vezes a massa da Via Láctea.

• Muitas têm núcleos múltiplos

que se orbitam com velocidades muito altas, cerca de 1000 km/s,

velocidade muito mais alta que a das estrelas, 300km/s.

• Elas devem ser o resultado de

fusões de muitas galáxias.

(42)

Buracos Negros Binários

• Em fusões de galáxias grandes é inevitável a formação de um

Buraco Negro Supermaciço Binário.

• Os Buracos Negros centrais

das galáxias envolvidas

migram para o centro da nova galáxia por fricção dinâmica.

• Em NGC 6240, os dois Buracos Negros se encontram a uma distância de ~1 kpc um do outro.

O Buraco Negro

binário em NGC 6240 nos raios X (Chandra)

(43)

Buracos Negros Binários

• Quando os Buracos Negros chegam muito pertos, eles se orbitam e emitem ondas gravitacionais (já detectadas (2016) https://goo.gl/9D5Ukx), assim perdendo momento angular e aproximando ainda sua órbita.

• No final há uma fusão de Buracos Negros, resultando em um Buraco Negro ainda maior. • Acredita-se que assim foram

formados os Buracos Negros centrais de galáxias gigantes.

(44)

Galáxias Ativas

• Existem alguns tipos especiais de galáxias com

características únicas

. Chamamos elas de

Galáxias

Ativas

.

• Elas mostram sinais de

atividade violenta

em

diferentes espectros de observação

.

• Essa atividade é causada por seus núcleos

chamados

AGNs

(Active Galactic Nuclei - Energia

dos Núcleos Ativos de Galáxias).

(45)

Galáxias Ativas

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

• A energia dos AGNs vem da acreção de matéria ao Buraco Negro central, é a transformação de energia potencial gravitacional em energia radiativa + energia cinética dos jatos.

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

(46)

Galáxias Ativas

• Existem ao menos três tipos de galáxias ativas:

• Quasares

• Rádio-galáxias

• Galáxias Seyfert

(47)

Quasares

• Um quasar (quasi-stellar radio source, ou fonte de rádio quase estelar) é um objeto astronômico distante e poderosamente energético.

• Seu núcleo galáctico é

extremamente ativo.

• Um único quasar emite entre

100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira com 100 bilhões de estrelas como a Via Láctea.

(48)

(49)

(50)

Rádio-galáxias

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

• Sua natureza é revelada quando observadas em ondas de rádio e normalmente apresentam uma estrutura dupla com dois lóbulos emissores localizados um em cada lado da galáxia.

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

(51)

Centauro A, localizada na constelação

do Centauro

(52)

Rádio-galáxias

• Quase toda a

radiação

é emitida “pra frente”,

e quase nada “pra trás”.

• Quando o jato faz um ângulo pequeno com a linha de

observação, o

lado apontando pra nós

aparece muito

mais brilhante

.

• Além disso, o outro lado, chamado

contrajato

, pode se

encontrar

atrás de um disco de poeira

, o que o torna

(53)

Galáxias Seyfert

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

• Consegue-se observar a galáxia “hospedeira” com facilidade.

• São na maioria espirais, mas em uma porcentagem pequena de todas as galáxias, são frequentemente acompanhadas por outras galáxias.

(54)

(55)

Formação de Galáxias no Início do

Universo

• A mais distante e, portanto, a mais antiga, imagem de galáxias que temos é o Hubble Ultra Deep Field.

• Essa imagem retrata o Universo

como ele era a 13 bilhões de anos atrás, cerca de 400 à 800 milhões de anos após o Big Bang. • Estima-se que haja 10 mil galáxias dentro da área estuda pelo telescópio Hubble.

(56)

(57)

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.

(58)

Resumo

• Como vimos, as galáxias possuem

interações

complexas entre elas e o ambiente a sua volta

,

dependendo de diversos fatores para a sua

evolução

.

• Um dos

fatores determinantes

para a evolução das

galáxias é a sua

massa

. É ela quem vai definir

propriedades como

luminosidade

e

formação de

estrelas

, por exemplo.

(59)

Resumo

• Sabemos que as galáxias podem apresentar

duas

tonalidades

:

• Azul

–

Ricas em gás

 Grande formação de

estrelas

• Vermelha

–

Pobres em gás

 Baixa formação de

(60)

(61)

Resumo

• A evolução das galáxias pode acontecer por dois processos:

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

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