Formação e evolução da galáxia - Galaxy formation and evolution
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O estudo da formação e evolução de galáxias está preocupado com os processos que formaram um universo heterogêneo a partir de um início homogêneo, a formação das primeiras galáxias, a forma como as galáxias mudam ao longo do tempo e os processos que geraram a variedade de estruturas observadas em galáxias próximas. . A formação da galáxia é hipotetizada para ocorrer a partir das teorias de formação de estrutura , como resultado de pequenas flutuações quânticas após o Big Bang . O modelo mais simples em geral de acordo com os fenômenos observados é o modelo Lambda-CDM - isto é, o agrupamento e a fusão permitem que as galáxias acumulem massa, determinando sua forma e estrutura.
Propriedades comumente observadas de galáxias
Devido à incapacidade de conduzir experimentos no espaço sideral, a única maneira de “testar” teorias e modelos da evolução da galáxia é compará-los com as observações. As explicações de como as galáxias se formaram e evoluíram devem ser capazes de prever as propriedades e tipos de galáxias observados.
Edwin Hubble criou o primeiro esquema de classificação de galáxias conhecido como diagrama em diapasão de Hubble. Ele dividiu as galáxias em elípticas , espirais normais, espirais barradas (como a Via Láctea ) e irregulares . Esses tipos de galáxias exibem as seguintes propriedades, que podem ser explicadas pelas atuais teorias de evolução das galáxias:
- Muitas das propriedades das galáxias (incluindo o diagrama cor-magnitude da galáxia ) indicam que existem fundamentalmente dois tipos de galáxias. Esses grupos se dividem em galáxias azuis formadoras de estrelas que são mais como tipos espirais, e galáxias vermelhas não formadoras de estrelas que são mais como galáxias elípticas.
- Galáxias espirais são muito finas, densas e giram relativamente rápido, enquanto as estrelas em galáxias elípticas têm órbitas orientadas aleatoriamente.
- A maioria das galáxias gigantes contém um buraco negro supermassivo em seus centros, variando em massa de milhões a bilhões de vezes a massa do nosso Sol . A massa do buraco negro está ligada à protuberância da galáxia hospedeira ou massa esferóide.
- A metalicidade tem uma correlação positiva com a magnitude absoluta (luminosidade) de uma galáxia.
Há um equívoco comum de que Hubble acreditava incorretamente que o diagrama diapasão descrevia uma sequência evolutiva para galáxias, de galáxias elípticas, passando por lenticulares a galáxias espirais. Este não é o caso; em vez disso, o diagrama do diapasão mostra uma evolução do simples ao complexo, sem intenção de conotações temporais. Os astrônomos agora acreditam que as galáxias em disco provavelmente se formaram primeiro, depois evoluíram para galáxias elípticas por meio de fusões de galáxias.
Os modelos atuais também prevêem que a maior parte da massa nas galáxias é composta de matéria escura , uma substância que não é diretamente observável e pode não interagir por nenhum meio, exceto a gravidade. Esta observação surge porque as galáxias não poderiam ter se formado como se formaram, ou girar como são vistas, a menos que contenham muito mais massa do que pode ser diretamente observado.
Formação de galáxias de disco
O estágio inicial na evolução das galáxias é a formação. Quando uma galáxia se forma, ela tem a forma de um disco e é chamada de galáxia espiral devido às estruturas de "braço" semelhantes a espirais localizadas no disco. Existem diferentes teorias sobre como essas distribuições de estrelas em forma de disco se desenvolvem a partir de uma nuvem de matéria: no entanto, no momento, nenhuma delas prediz exatamente os resultados da observação.
Teorias de cima para baixo
Olin Eggen , Donald Lynden-Bell e Allan Sandage em 1962, propuseram uma teoria de que as galáxias em disco se formam através do colapso monolítico de uma grande nuvem de gás. A distribuição da matéria no início do universo estava em aglomerados que consistiam principalmente de matéria escura. Esses aglomerados interagiam gravitacionalmente, colocando torques de maré uns sobre os outros que agiam para dar a eles algum momento angular. Conforme a matéria bariônica esfriou, ela dissipou parte da energia e se contraiu em direção ao centro. Com o momento angular conservado, a matéria próxima ao centro acelera sua rotação. Então, como uma bola de massa de pizza girando, a matéria se forma em um disco compacto. Depois que o disco esfria, o gás não é gravitacionalmente estável, portanto, não pode permanecer uma nuvem homogênea singular. Ele se quebra, e essas nuvens menores de gás formam estrelas. Como a matéria escura não se dissipa, pois apenas interage gravitacionalmente, ela permanece distribuída fora do disco no que é conhecido como halo escuro . As observações mostram que existem estrelas localizadas fora do disco, o que não se enquadra bem no modelo "massa de pizza". Foi proposto pela primeira vez por Leonard Searle e Robert Zinn que as galáxias se formam pela coalescência de progenitores menores. Conhecida como um cenário de formação de cima para baixo, essa teoria é bastante simples, mas não é mais amplamente aceita.
Teorias ascendentes
Teorias mais recentes incluem o agrupamento de halos de matéria escura no processo ascendente. Em vez de grandes nuvens de gás colapsando para formar uma galáxia na qual o gás se divide em nuvens menores, é proposto que a matéria começou nesses aglomerados "menores" (massa da ordem dos aglomerados globulares ), e então muitos desses aglomerados se fundiram para formar galáxias, que então foram atraídas pela gravitação para formar aglomerados de galáxias . Isso ainda resulta em distribuições semelhantes a discos de matéria bariônica com matéria escura formando o halo pelas mesmas razões da teoria de cima para baixo. Os modelos que usam esse tipo de processo prevêem mais galáxias pequenas do que grandes, o que corresponde às observações.
Os astrônomos não sabem atualmente qual processo interrompe a contração. Na verdade, as teorias da formação de galáxias em disco não têm sucesso em produzir a velocidade de rotação e o tamanho das galáxias em disco. Foi sugerido que a radiação de estrelas brilhantes recém-formadas, ou de um núcleo galáctico ativo, pode retardar a contração de um disco em formação. Também foi sugerido que o halo de matéria escura pode puxar a galáxia, parando assim a contração do disco.
O modelo Lambda-CDM é um modelo cosmológico que explica a formação do universo após o Big Bang . É um modelo relativamente simples que prevê muitas propriedades observadas no universo, incluindo a frequência relativa de diferentes tipos de galáxias; no entanto, ele subestima o número de galáxias de disco fino no universo. A razão é que esses modelos de formação de galáxias preveem um grande número de fusões. Se as galáxias de disco se fundirem com outra galáxia de massa comparável (pelo menos 15 por cento de sua massa), a fusão provavelmente destruirá ou, no mínimo, interromperá enormemente o disco, e não se espera que a galáxia resultante seja uma galáxia de disco (consulte a próxima seção ) Embora isso continue sendo um problema não resolvido para os astrônomos, não significa necessariamente que o modelo Lambda-CDM esteja completamente errado, mas sim que requer mais refinamento para reproduzir com precisão a população de galáxias no universo.
Fusões de galáxias e a formação de galáxias elípticas
Galáxias elípticas (como IC 1101 ) estão entre algumas das maiores conhecidas até agora. Suas estrelas estão em órbitas que são orientadas aleatoriamente dentro da galáxia (ou seja, elas não estão girando como galáxias de disco). Uma característica distintiva das galáxias elípticas é que a velocidade das estrelas não contribui necessariamente para o achatamento da galáxia, como nas galáxias espirais. Galáxias elípticas têm buracos negros supermassivos centrais , e as massas desses buracos negros se correlacionam com a massa da galáxia.
Galáxias elípticas têm dois estágios principais de evolução. O primeiro é devido ao buraco negro supermassivo que cresce por acréscimo de gás de resfriamento. O segundo estágio é marcado pela estabilização do buraco negro suprimindo o resfriamento do gás, deixando assim a galáxia elíptica em um estado estável. A massa do buraco negro também está correlacionada a uma propriedade chamada sigma que é a dispersão das velocidades das estrelas em suas órbitas. Essa relação, conhecida como relação M-sigma , foi descoberta em 2000. Galáxias elípticas em sua maioria não têm discos, embora algumas protuberâncias de galáxias em disco se assemelhem a galáxias elípticas. As galáxias elípticas são mais provavelmente encontradas em regiões aglomeradas do universo (como aglomerados de galáxias ).
Os astrônomos agora veem as galáxias elípticas como alguns dos sistemas mais evoluídos do universo. É amplamente aceito que a principal força motriz para a evolução das galáxias elípticas são as fusões de galáxias menores. Muitas galáxias no universo estão gravitacionalmente ligadas a outras galáxias, o que significa que elas nunca escaparão de sua atração mútua. Se as galáxias forem de tamanho semelhante, a galáxia resultante não aparecerá semelhante a nenhum dos progenitores, mas será elíptica. Existem muitos tipos de fusão de galáxias, que não resultam necessariamente em galáxias elípticas, mas resultam em uma mudança estrutural. Por exemplo, acredita-se que um pequeno evento de fusão esteja ocorrendo entre a Via Láctea e as Nuvens de Magalhães.
As fusões entre essas grandes galáxias são consideradas violentas, e a interação friccional do gás entre as duas galáxias pode causar ondas de choque gravitacionais , que são capazes de formar novas estrelas na nova galáxia elíptica. Ao sequenciar várias imagens de diferentes colisões galácticas, pode-se observar a linha do tempo de duas galáxias espirais se fundindo em uma única galáxia elíptica.
No Grupo Local , a Via Láctea e a Galáxia de Andrômeda estão gravitacionalmente ligadas e atualmente se aproximando em alta velocidade. Simulações mostram que a Via Láctea e Andrômeda estão em rota de colisão e espera-se que colidam em menos de cinco bilhões de anos. Durante esta colisão, espera-se que o Sol e o resto do Sistema Solar sejam ejetados de seu caminho atual ao redor da Via Láctea. O remanescente pode ser uma galáxia elíptica gigante.
Quenching galáxia
Uma observação (veja acima) que deve ser explicada por uma teoria bem-sucedida da evolução da galáxia é a existência de duas populações diferentes de galáxias no diagrama cor-magnitude da galáxia. A maioria das galáxias tende a cair em dois locais separados neste diagrama: uma "sequência vermelha" e uma "nuvem azul". Galáxias de sequência vermelha são geralmente galáxias elípticas não formadoras de estrelas com pouco gás e poeira, enquanto galáxias de nuvem azul tendem a ser galáxias espirais formadoras de estrelas empoeiradas.
Conforme descrito nas seções anteriores, as galáxias tendem a evoluir de uma estrutura espiral para uma elíptica por meio de fusões. No entanto, a taxa atual de fusão de galáxias não explica como todas as galáxias se movem da "nuvem azul" para a "sequência vermelha". Também não explica como a formação de estrelas cessa nas galáxias. As teorias da evolução das galáxias devem, portanto, ser capazes de explicar como a formação de estrelas se desativa nas galáxias. Este fenômeno é chamado de "extinção" da galáxia.
As estrelas se formam a partir do gás frio (veja também a lei Kennicutt-Schmidt ), então uma galáxia é extinguida quando não tem mais gás frio. No entanto, acredita-se que a extinção ocorra de forma relativamente rápida (dentro de 1 bilhão de anos), que é muito mais curto do que o tempo que uma galáxia levaria para simplesmente esgotar seu reservatório de gás frio. Os modelos de evolução da galáxia explicam isso hipotetizando outros mecanismos físicos que removem ou cortam o suprimento de gás frio em uma galáxia. Esses mecanismos podem ser amplamente classificados em duas categorias: (1) mecanismos de feedback preventivo que impedem o gás frio de entrar na galáxia ou de produzir estrelas, e (2) mecanismos de feedback ejetivo que removem o gás para que ele não possa formar estrelas.
Um mecanismo preventivo teorizado chamado “estrangulamento” impede que o gás frio entre na galáxia. O estrangulamento é provavelmente o principal mecanismo para extinguir a formação de estrelas em galáxias de baixa massa próximas. A explicação física exata para o estrangulamento ainda é desconhecida, mas pode ter a ver com as interações de uma galáxia com outras galáxias. Conforme uma galáxia cai em um aglomerado de galáxias, as interações gravitacionais com outras galáxias podem estrangulá-la, impedindo-a de acumular mais gás. Para galáxias com halos massivos de matéria escura , outro mecanismo preventivo chamado “ aquecimento por choque virial ” também pode impedir que o gás esfrie o suficiente para formar estrelas.
Os processos ejetivos, que expelem gás frio das galáxias, podem explicar como galáxias mais massivas são extinguidas. Um mecanismo de ejeção é causado por buracos negros supermassivos encontrados no centro das galáxias. Simulações têm mostrado que o acúmulo de gás em buracos negros supermassivos em centros galácticos produz jatos de alta energia ; a energia liberada pode expelir gás frio suficiente para extinguir a formação de estrelas.
Nossa própria Via Láctea e a vizinha Galáxia de Andrômeda atualmente parecem estar passando pela transição de extinção de galáxias azuis formadoras de estrelas para galáxias vermelhas passivas.
Galeria
NGC 3610 mostra alguma estrutura na forma de um disco brilhante, o que implica que se formou há pouco tempo.
NGC 891 , uma galáxia de disco muito fino
Uma imagem de Messier 101 , uma galáxia espiral prototípica vista de frente
Uma galáxia espiral, ESO 510-G13 , foi deformada como resultado da colisão com outra galáxia. Depois que a outra galáxia for completamente absorvida, a distorção desaparecerá. O processo normalmente leva milhões, senão bilhões de anos.
Veja também
- Big Bang - modelo cosmológico
- Bulge (astronomia)
- Cronologia do universo - História e futuro do universo
- Cosmologia - Estudo científico da origem, evolução e eventual destino do universo
- Disco galáctico - Componente das galáxias do disco que compreende gás e estrelas
- Formação e evolução do Sistema Solar - Formação do Sistema Solar por colapso gravitacional de uma nuvem molecular e subsequente história geológica
- Sistema de coordenadas galácticas - sistema de coordenadas celestes em coordenadas esféricas, com o Sol como seu centro
- Corona galáctica - componente gasoso ionizado quente no halo galáctico
- Halo galáctico
- Orientação galáctica
- Curva de rotação da galáxia
- Projeto Illustris - Universos simulados por computador
- Lista de galáxias
- Segregação em massa (astronomia) - Processo pelo qual os membros mais pesados de um sistema ligado gravitacionalmente tendem a se mover em direção ao centro, enquanto os membros mais leves tendem a se afastar do centro
- Função de distribuição de metalicidade - Distribuição dentro de um grupo de estrelas da razão de ferro para hidrogênio em uma estrela
- Galáxia ervilha - possivelmente um tipo de galáxia compacta azul luminosa que está passando por taxas muito altas de formação de estrelas
- Desenvolvimento recente (2018): Galáxias com pouca ou nenhuma matéria escura - Forma hipotética de matéria que compreende a maior parte da matéria do universo
- Pepita vermelha , pequenas galáxias repletas de grandes quantidades de estrelas vermelhas
- Formação de estrelas - Processo pelo qual regiões densas de nuvens moleculares no espaço interestelar colapsam para formar estrelas
- Formação de estrutura - formação de galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas maiores a partir de pequenas flutuações de densidade iniciais
- UniverseMachine - Universos simulados por computador
- Panqueca de Zeldovich - Condensação teórica de gás a partir de uma flutuação de densidade primordial após o Big Bang
Leitura adicional
- Mo, Houjun; van den Bosch, Frank; White, Simon (junho de 2010), Galaxy Formation and Evolution (1 ed.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932