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:
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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:
- disco fino de estrelas e gas com raio ~20 kpc e escala de altura de 300 pc, onde fica o Sol
- disco espesso, ~1kpc, população estelar diferente do disco fino
- bojo central
- 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:
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onde v é “fácil” de medir a partir do redshift, mas D é muito mais difícil: indicadores de distância.
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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
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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:
- A taxa de expansão atual do Universo H0
- A densidade média de matéria atual parametrizada pelo parâmetro de densidade:
- A densidade de “energia escura” ou “energia do vácuo”, que depende da constante cosmológica Λ:
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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:
- 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
- Há 3 tipos de neutrinos
- George Gamow predisse em 1946 a existência da radiação cósmica de fundo (CMB), descoberta por Penzias & Wilson em 1965
- 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