Introdução:

Fontes: Livro Peter Schneider

Filmes e ilustrações obtidas da internet (MPE, ESO)

Vídeo mostrando a distribuição de galáxias e sua cinemática no Universo local (dentro de z ~ 8000 km/s):

Uma galáxia típica, tamanho: raio variando de 10 a 30 kpc; estrelas com idades desde 1 milhão a 12 bilhões de anos;

Evolução das galáxias pode ser observada devido à velocidade finita da luz: olhando longe, olhamos o passado; hoje estuda-se galáxias com ~10% da idade do Universo

Instrumentação: em 1993, o primeiro telescópio de 10m – Keck, atualmente mais de 10; vários telescópios espaciais

Descoberta fundamental a partir de observações com o Telescópio Espacial: maioria das galáxias hospeda um buraco negro supermassivo (SMBH) no seu núcleo, com massa que varia de um milhão a um bilhão de massas solares, cuja massa é proporcional à massa do bojo das galáxias hospedeiras, indicando que a evolução do SMBH está intimamente ligada à evolução da própria galáxia.

Outra descoberta fundamental: somente cerca de 15% da massa das galáxias é observável e conhecida (estrelas, gás, poeira); o resto é matéria escura, que tem efeito gravitacional mas não pode ser observada; mais provável candidatos WIMPS; espera-se encontrá-los com os experimentos do LHC.

Desenvolvimento fundamental dos anos recentes na nossa concepção de Universo: modelo cosmológico padrão: idade do Universo 13.7 bilhões de anos; universo em expansão desde o Big Bang; radiação de fundo como comprovação. Porém, somente 4% do conteúdo energético do Universo é matéria “bariônica”, 26% é matéria escura e 70% energia escura, que domina e faz a expansão se acelerar. Energia do vácuo? Mas estimativas através da mecânica quântica mostram que densidade de energia do vácuo é 120 ordens de grandeza maior do que a densidade de energia escura.

O Universo como um Buraco Negro: exercício: calcule o raio do horizonte de eventos de um Buraco Negro que tem a massa do Universo, com densidade de matéria igual à densidade crítica:

(1)   \begin{equation*}  \setlength{\jot}{10pt} \begin{gathered} 	R_{Sch}=\frac{2GM}{c^2} \\ 	M=\rho_{cr}Vol=\frac{3H_0^2}{8\pi G}\frac{4\pi c^3}{3H_0^3} \\ 	R_{Sch}=\frac{2G}{c^2}\frac{3H_0^2}{8\pi G}\frac{4\pi c^3}{3H_0^3}=\frac{c}{H_0} \end{gathered} \end{equation*}

Ou seja, o Raio de Schwarschild do Universo com densidade de matéria igual à crítica, é a distância de Hubble!

Leitura: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2010/04/28/the-universe-is-not-a-black-hole/.

A Via Láctea

Galáxia espiral, com centro a cerca de 8 kpc do Sol, permite estudo detalhado do seu núcleo e de estrelas individuais, nuvens de gas interestelar, poeira, extinção. Componentes:

  1. disco fino de estrelas e gas com raio ~20 kpc e escala de altura de 300 pc, onde fica o Sol
  2. disco espesso, ~1kpc, população estelar diferente do disco fino
  3. bojo central
  4. halo: estrelas velhas e aglomerados

Disco apresenta rotação; por que braços brilham? Nós brilhantes denotam regiões de formação estelar; bojo dominado por população estelar velha.

Gás e poeira tem massa menor do que 10% da massa das estrelas.

Estimativa da massa da galáxia: a partir da distribuição de brilho e da razão massa/luminosidade da população estelar: pode-se predizer a velocidade de rotação das estrelas em função da distância ao centro e resulta menor do que a observada: por exemplo, o Sol deveria ter velocidade de 160 km/s mas tem 220 km/s -> galáxia tem mais matéria do que vemos -> matéria escura, Outras galáxias espirais mostram o mesmo efeito.

Ilustração de Nick Strobel at www.astronomynotes.com

Galáxias evoluem: nossa galáxia tem populações estelares de diferentes idades, o que significa que foram se formando em diferentes etapas: o bojo é dominado por estrelas velhas, enquanto estrelas jovens ainda se formam no disco fino. Vemos gás frio caindo no disco da Via Láctea e gás quente sendo ejetado do disco. Uma galáxia anã, chamada de Sagitarius, está sendo engolida pela Via Láctea, e destruída pelas forças de maré da nossa galáxia.

Centro da Via Láctea: só pode ser observado em comprimentos de onda longos, devido à concentração de poeira na sua direção. Observação no infravermelho próximo (near-IR) por ~30 anos: órbitas completas de estrelas dentro do 0.1 pc central: M~3×106 MSol: SMBH.

Ilustração das órbitas (estrelas + nuvem que está caindo para o SMBH):

Vídeo mostrando as estrelas em órbita em torno do Buraco Negro da Via Láctea:


Nuvem que está caindo em direção ao Buraco Negro da Via Láctea: diagramas “position-velocity” mostrando que a nuvem está se “espaguetificando” devido à força de maré do SMBH e deve passar à menor distância no início de 2014 (ESO, MPE, Genzel, Nature, Jan. 2012).

Vídeo mostrando a nuvem se movendo em direção ao BN:

Galáxias em geral:

Classificação:

“Early-type”: Elípticas e S0s: domina pop. velha; elípticas só têm bojo. S0 têm disco mas não têm braços espirais

“Late-type”: Espirais: pop. jovem no disco fino

Tanto early-type como late-type têm sinais da presença de matéria escura: halo que se estende bem além (vários raios) do limite visível da galáxia; parte visível está dentro do poço de potencial da parte invisível (matéria escura).

Classificação de Hubble:

Expansão do Universo:

Propriedade “natural” do Universo: necessária para que o Universo não colapse.

Lei de Hubble:

(2)   \begin{equation*}  	v=H_0D; H_0=71\pm 2.5 km/s/Mpc \end{equation*}

onde v é “fácil” de medir a partir do redshift, mas D é muito mais difícil: indicadores de distância.

(3)   \begin{equation*}  	\lambda=(1+z)\lambda_0 \end{equation*}

Galáxias Ativas e Starburst

Apresentam linhas de emissão (recombinação, H e He + linhas proibidas) no núcleo, indicando presença de gás ionizado; nas ativas, devido a um contínuo ionizante de origem não estelar em geral um disco de acreção em torno de um SMBH (contínuo em geral representado por uma lei de potência) e nas Starburst devido a contínuo ionizante de estrelas quentes (O e B).

Glossário do site “astrobytes”: https://astrobites.org/guides/galaxy-and-agn-types/

Quasares: galáxias ativas mais luminosas, alguns chegando a 1000 vezes a luminosidade da Via Láctea. São variáveis, em escala de tempo de dias, o que indica que tamanhjo da região emissora é menor do que dias-luz. Origem da energia: acreção de matéria por um SMBH através de um disco de acreção.

Galáxias Starburst: “burst” de formação de estrelas no núcleo, com taxas de formação de estrelas (SFR) entre 10 e 300 MSol/ano, aparentemente causados por interações com outras galáxias (Via-Láctea: SFR ~2 MSol/ano). Galáxias starburst parecem emitir mais de 95% da sua luminosiade no infravermelho distante (FIR: far infrared). Ex: Arp220, ULIRG=Ultra-Luminous-Infra-Red-Galaxy: resultado da colisão de duas galáxias espirais.

Aglomerados de Galáxias:

Galáxias se agrupam em algomerados, que têm diâmetros da ordem de 2-3 Mpc, e contêm de centenas a milhares de galáxias. Alguns mais regulares (esféricos) e outros menos. Mais próximo: Aglomerado de Virgem, a 18 Mpc, irregular. Regular mais próximo: Coma, a 90 Mpc, com cerca de 1000 galáxias, sendo 85% galáxias tipo early-type. Aglomerados se agrupam em super-aglomerados, com vazios (voids) entre eles, que têm diâmetros da ordem de 30 Mpc.

Aglomerados relaxados, como o de Coma, mostram velocidades orbitais das galáxias (ou dispersões de velocidades) mais altas do que esperado pela massa aparente (luminosidade x relação massa/luminosidade); de novo, evidência da presença de matéria escura.

Satélites/observatórios de raios-X revelaram que os aglomerados de galáxias são fontes fortes de radiação desta faixa espectral indicando a presença de gás quente, com temperatura T~107-108K. A temperatura permite também calcular massa necessária para “segurar” este gás. Este cálculo dá massas comparáveis às obtidas a partir das dispersões de velocidades. Terceiro método de determinar a massa: a partir de lentes gravitacionais; também revelam resultados semelhantes, apontando para a existência de matéria escura.

Aglomerados de galáxias são consideradas estruturas jovens: sua escala de tempo dinâmico, que é o tempo que uma galáxia leva para atravessar seu diâmetro de cerca de 2 Mpc, a uma velocidade típica de 1000 km/s é

(4)   \begin{equation*}  	t_{dyn}=\frac{2Mpc}{1000km/s} \sim 2 \times 10^9 \text{ anos} \end{equation*}

Como a idade do Universo é 13.7 x 109 anos, as galáxias ainda não tiveram tempo de atravessar o aglomerado muitas vezes. Isto pode ser comparado com o tempo que o Sol dá uma volta na Via Láctea – cerca de 2 x 108 anos, que é muito menor, significando que as galáxias já tiveram tempo de se “virializar”, ou atingir seu estado de equilíbrio, enquanto que aglomerados distantes ainda podem não estar virializados.

Cosmologia:

Relação redshift distância: lei de Hubble, mas só vale para distâncias pequenas no Universo. A relação da distância com o redshift depende do modelo cosmológico do Universo. Estes modelos, conhecidos como modelos de Friedmann-Lemâitre, obedecem as leis da relatividade Geral de Einstein, contêm a expansão de Hubble, e consideram que o Universo é homogêneo e isotrópico. Estes modelos são caracterizados por três parâmetros:

  1. A taxa de expansão atual do Universo H0
  2. A densidade média de matéria atual parametrizada pelo parâmetro de densidade:
  3. (5)   \begin{equation*}  	\Omega_m=\frac{8\pi G}{3H_0^2}\rho_m \end{equation*}

  4. A densidade de “energia escura” ou “energia do vácuo”, que depende da constante cosmológica Λ:
  5. (6)   \begin{equation*}  	\Omega_\Lambda=\frac{\Lambda}{3H_0^2} \end{equation*}

Observações da radiação cósmica de fundo e de supernovas tipo Ia distantes, levam aos valores de Ωm~0.3 e ΩΛ~0.7. De acordo com o modelo aceito do Universo, ele era mais denso e pequeno no passado e leva ao modelo do Big Bang para o início do Universo. Predições do modelo que foram verificadas são:

  1. Cerca de 1/4 da massa bariônica do Universo deve estar na forma de He, formado ~3min depois do Big Bang; os resto é essencialmente H
  2. Há 3 tipos de neutrinos
  3. George Gamow predisse em 1946 a existência da radiação cósmica de fundo (CMB), descoberta por Penzias & Wilson em 1965
  4. As estruturas observadas no Universo atual evoluiram a partir de pequenas flutuações de densidade, visíveis como flutuações de temperatura na CMB, observadas com os satélites COBE e WMAP

Mas ainda não conhecemos a natureza física de 96% do conteúdo do Universo: a matéria escura (26%) e a energia escura (70%); só conhecemos a matéria bariônica, que constitui somente 4% do Universo.

A solução da equação de Friedmann permite o cálculo da idade do Universo a partir do redshift. Isto já está implementado (Cosmology Calculator) de forma prática na homepage do Ned Wright: http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html

Exercício 1: Use o programa acima para calcular a idade t do Universo em função do redshift z. Faça um gráfico de t vs. z para 100>z>0.

A formação e evolução das estruturas no Universo: As inomogeneidades do Universo (flutuações de densidade) na época da recombinação (CMB) eram muito pequenas, enquanto que atualmente elas são muito grandes. Isto é devido à evolução do Universo, que é moldada pela gravidade. Quanto maior a densidade inicial, mais a estrutura cresce, “puxando” matéria das regiões mais vazias, que assim crescem também. Galáxias a altos redshifts são em geral menores e mais azuis, e a taxa de formação estelar é maior. Isto está de acordo com resultados de simulações da evolução do Universo mostram que primeiro se formam galáxias pequenas, que depois colidem (sofrem processos de merger) dando origem a galáxias maiores.

Instrumentos: exercício para os alunos:

Ingrid: lista de observatórios/telescópios óticos com mais de 2m

Jáderson: lista de satélites astronômicos em operação

Natacha: lista de Observatórios rádio

Rafael: lista de Bases de dados astronômicos de galáxias