Galáxias e a Via Láctea

As galáxias e a Via Láctea, morfologia e estrutura

No Universo, além de estrelas, existem corpos difusos que muito intrigaram os astrônomos. A princípio se pensava que esses objetos fossem nebulosas pertencentes à Via Láctea. Immanuel Kant (1724-1804) foi o primeiro filósofo a propor que essas nebulosas são, na verdade, outros sistemas estelares, semelhantes ao que vivemos, aos quais denominou de universos ilhas.
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Fig.1 - Galáxia M104, ou Galáxia do Sombrero, localizada na constelação de Virgem a 50 milhões de anos-luz, composta principalmente por estrelas velhas e muitas nuvens de gás e poeira entre estas estrelas.

A ideia de existência de galáxias independentes ainda era incerta no início do século XX, pois até então as distâncias e dimensões desses objetos de aparência nebulosa eram desconhecidas, e, portanto, não se podia afirmar se pertenciam, ou não, à nossa galáxia. Em 1923, Edwin Powell Hubble (1889-1953) mediu a distância de algumas nebulosas mais próximas e constatou que estavam realmente distantes, exteriores à Via Láctea. Trabalhado com um telescópio de 2,5 m de diâmetro do Observatório de Monte Wilson, Hubble conseguiu identificar estrelas individuais em várias nebulosas brilhantes em forma de espiral, incluindo a M31 (Messier 31), na constelação de Andrômeda. Após um trabalho meticuloso, ele estimou que a galáxia de Andrômeda estava a cerca de 900 mil anos-luz. A essa enorme distância, ela deveria ser uma galáxia separada, com suas próprias estrelas, localizada bem fora dos limites da Via Láctea. Na simulação abaixo vemos a localização da galáxia de Andrômeda, a galáxia espiral mais próxima da Terra.

Vídeo 1 - Galáxia de Andrômeda, localizada a cerca de 2,54 milhões de anos-luz de distância da Terra, na direção da constelação de Andrômeda.

Morfologia e Estrutura das Galáxias

Uma galáxia é definida como um grande aglomerado gravitacionalmente ligado que compreende estrelas, remanescentes de estrelas e um meio interestelar, contendo as nuvens de gás e poeira e raios cósmicos. Tudo permeado por uma forma de matéria desconhecida, transparente à luz e invisível, que só interage gravitacionalmente com o meio. Este componente ainda desconhecido, corresponde a cerca de 85% da massa dos aglomerados de galáxias, e é denominado de matéria escura. No universo observável, se estima que devem existir centenas de bilhões de galáxias. Muitas delas contendo, também, centenas de bilhões de estrelas.

Como dito, existem bilhões de galáxias com formas cores e tamanhos variados, mas a maioria possui formatos bem semelhantes, o que levou o astrônomo Hubble a descrever as galáxias baseada em sua aparência visual, ou seja, em sua morfologia. A classificação de Hubble divide as galáxias em elípticas, espirais (normais e barradas), lenticulares e irregulares. A figura abaixo apresenta as formas e divisão dos principais tipos de galáxias.

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Fig.2 - Classificação de Hubble. Um "E" indica uma galáxia elíptica, "S" é uma espiral e "SB" uma espiral barrada.

Começando pelas galáxias elípticas, elas são as que consistem de estrelas mais velhas, mais avermelhadas e evoluídas, que orbitam o centro da galáxia em direções aleatórias e apresentam pouca matéria interestelar. Uma gigante elíptica pode ter até $10^{13}M_{Sol}$ (massas solares), e um diâmetro de centenas de milhares de anos-luz. As galáxias elípticas anãs são as mais numerosas, e as maiores galáxias do Universo são elípticas gigantes, que se formaram devido a colisões e junções de galáxias. Devido seu formato elipsoidal, elas são classificadas segundo o seu grau de achatamento, por exemplo, na figura anterior, as que tem aparência quase esférica são definidas como E0, passando por E3 até as E7, que são as mais excêntricas e, portanto, mais achatadas.

As galáxias espirais, como Andrômeda e a Via Láctea, consistem de um bojo central contendo estrelas mais velhas, um disco giratório de estrelas mais novas, gás, poeira e braços espirais que se estendem a partir do bojo e um halo - uma região de simetria esférica que engloba o disco e onde se encontram os aglomerados globulares, compostos de estrelas mais velhas, a figura 3 abaixa apresenta esses detalhes da estrutura galáctica.

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Fig.3 - Estrutura de uma galáxia como a Via Láctea com um diâmetro de aproximadamente 100.000 anos-luz (30 kpc) e espessura do disco de aproximadamente 3.000 anos-luz (4 kpc).

A massa da porção visível das galáxias espirais variam de $10^9$ a $10^{12}M_{Sol}$, com diâmetro que podem variar entre 20 000 a 100 000 anos luz. Na classificação de Hubble elas foram definidas como tipo S e subdividas entre normais e barradas, ganhando um B no nome quando mostram uma barra no centro. Outra importante característica é que essas galáxias apresentam certas diferenças entre si quanto ao tamanho do núcleo e o grau de afastamento e comprimento dos braços, seguindo assim as letras a, b e c que se referem ao grau de aperto dos braços e ao tamanho do bojo. Por exemplo, uma galáxia Sa ou SBa são galáxias com braços mais enrolados e com bojo mais brilhante, enquanto que uma Sc ou SBc tem braços mais afastados e bojos menores.

Algumas galáxias tem bojo, disco e halo mas não tem braços espirais. São as lenticulares, classificadas como S0. Possuem propriedades tanto de galáxias elípticas quanto de espirais, tendo consumido a maior parte de sua matéria interestelar. Existe ainda as galáxias que não possuem nenhuma simetria, apresentando estruturas distorcidas ou formas arbitrárias, portanto classificadas como irregulares.

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Fig.4 - Grande e Pequena Nuvens de Magalhães, que são galáxias irregulares, satélites da Via Láctea, localizadas a 150 e 200 mil anos-luz.

A Via Láctea

A Via Láctea, a galáxia onde se situa o sistema solar, é uma galáxia espiral barrada tipo SBc. Assim como as demais galáxias, ela é formada por estrelas, gás e poeira, isolada no espaço e mantida por sua própria gravidade. Em um céu noturno na ausência de iluminação artificial, pode ser identificada como uma faixa brilhante e difusa que corta toda a esfera celeste. Possui um diâmetro aproximado de 100 mil anos-luz, com disco de aproximadamente 2 mil anos-luz de espessura, com uma estimativa de uma quantidade entre 100 a 400 bilhões de estrelas, com mais de 100 bilhões de planetas rochosos. O nosso Sol fica situado a 27 mil anos-luz de distância do centro galáctico, na borda interna de um de seus 4 braços espirais, conhecido como braço de Órion. Na figura abaixo podemos ver alguns detalhes da faixa brilhante que vemos no céu noturno em um local com pouca iluminação artificial.

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Fig.5 - Imagem panorâmica da Via Láctea, cobrindo toda a esfera celeste, revelando a paisagem cósmica que rodeia o nosso planeta.
Vídeo 2 - Concepção artística da forma da Via Láctea quando vista a partir de perspectivas muito diferentes da que temos a partir da Terra.

A maior parte das estrelas fica localizada no disco galáctico, onde se situam os braços espirais. O disco apresenta uma grande concentração de gás e poeira, possuindo massa o suficiente para formar várias estrelas. Muitas estrelas que habitam o disco são como o Sol, mas a maioria são anãs vermelhas, que são estrelas pequenas. Poucas são supergigantes como Rígel e Betelgeuse.

A nossa galáxia possui movimento orbital em torno do centro galáctico. Logo, é fato que as estrelas de fundo que observamos, estão longe de serem fixas, é a distância em que estão que não nos deixa notar sua mudança de posição. O movimento de rotação de regiões do disco em torno do centro galáctico tem um período médio de cerca de 300 milhões de anos para uma volta completa. O Sol descreve uma órbita com velocidade de 220 km/s, com um período orbital de cerca de 225 milhões de anos. Desde de sua formação o Sol já completou 20 vezes o seu trajeto ao redor do bojo galáctico. Na figura abaixo podemos detalhar as partes e componentes de nossa Via-láctea.

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Fig.6 - Impressão artística detalhada mostrando a estrutura da Via Láctea, incluindo a localização do Sol (Sun) e dos braços espirais.

O Sol apresenta, ainda, um movimento de oscilação harmônico em relação ao plano galáctico, cruzando-o com um período entre 52 a 74 milhões de anos, com amplitude máxima entre 49 a 93 parsecs (1 parsec equivale 30,9 trilhões de quilômetros) acima ou abaixo do plano galáctico. Atualmente estamos a cerca de 15 parsecs acima do plano da Via Láctea. O período destas oscilações da órbita solar aproximadamente coincidem com eventos de extinção em massa, levantando suspeitas de que, ao cruzar regiões densas de nuvens moleculares ou dos braços espirais, perturbações gravitacionais modificariam a órbita de cometas distantes do Sistema Solar que, por sua vez, atingiam nosso planeta.

Vídeo 3 - How the Solar System really moves, mostra uma simulação do movimento do sistema solar incluindo o Sol e os demais objetos do sistema solar (planetas, asteroides, outros) na Via Láctea, a uma enorme velocidade de 828 000 km/h.

O bojo ou centro galáctico é a região mais proeminente da Via Láctea e o centro de rotação desta, foi a primeira parte que se formou, portanto é a parte mais velha da galáxia. É a região mais densamente povoada da galáxia com bilhões de estrelas, em sua maioria velhas, mas também contém estrelas jovens. Nessa região as estrelas apresentam velocidades cada vez maiores à medida que se aproximam do centro. Mas o que existe no bojo de uma galáxia para essa intensa atividade estelar? Tudo indica que no centro da galáxia existe um buraco negro supermassivo, com um intenso campo gravitacional que provoca essa intensa atividade estelar.

Buracos Negros Supermassivos

Diferentemente dos buracos negros estelares, os buracos negros supermassivos, que existem no centro da maioria das galáxias maiores, não surgem da evolução de estrelas de grande massa, mas são formados por imensas nuvens de gás e/ou por aglomerados de milhões de estrelas que colapsaram sobre sua própria gravidade, quando o Universo era mais denso e jovem. Buracos negros supermassivos também podem surgir a partir de buracos negros estelares que se formaram no centro de uma galáxia e foram progressivamente se fundindo, formando um buraco negro de massa entre 10⁵ a 10¹⁰ $M_{Sol}$.

A região mais interna do bojo da Via Láctea, onde foi descoberta uma intensa e compacta fonte de rádio, é denominada Sagitário A*, é uma região de grande concentração de massa, contendo várias anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros estelares. As estrelas muito próximas do centro apresentam órbitas muito fechadas, porém, ao olhar diretamente para região mais central não se vê absolutamente nada!

Observações e estudos desta região têm mostrado que o grande acúmulo de matéria e as órbitas excêntricas descritas pelas estrelas no entorno desta região indicam a existência de um intenso campo gravitacional produzido por uma massa de milhões de massas solares em uma esfera maior que a órbita de Mercúrio. Uma forte evidência de que em Sagitário A* há um buraco negro supermassivo é fornecida pelo movimento das estrelas próximas. Combinando o período de revolução destas estrelas e o tamanho de suas órbitas com a terceira lei de Kepler, é possível estimar a massa desse objeto que mantém essas estrelas orbitando em torno de si, chegando a uma valor de $4.31\times10^4 M_{Sol}$. Logo, ao que tudo indica, a região de Sagitário A* é o local de um buraco negro supermassivo.

As estrelas S2 e S14 são as que possuem as órbitas mais fechadas da região de Sagitário A*. A estrela S2 recentemente completou uma volta em um período de 15 anos, passando pelo periélio em maio de 2018 a uma distância de 150 milhões de km a uma enorme velocidade de 8000 km/s. Na simulação abaixo podemos ver em detalhes o movimento dessas estrelas no centro de nossa galáxia.

Vídeo 4 - Sequência de imagens reais e animações ilustrando o movimento de estrelas em torno do buraco negro no centro da Via Láctea.

Referências