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Aglomerados de galáxiasProfessor Allan Schnorr Müller
IF/UFRGS
A Via-Láctea é uma galáxia solitária?
A Via-Láctea é uma galáxia solitária?
• Resposta: não!• A Via Láctea possui um
sistema de galáxiassatélites anãs que aorbitam devido à suainteração gravitacional;
• Entre as galáxiassatélites da Via Lácteaestão a Pequena e aGrande Nuvem deMagalhães, visíveis nohemisfério sul.
O Grupo Local
• O Grupo Local é formado pormais de 50 galáxias;
• O Grupo Local possui ≈10milhões de anos luz (≈3 Mpc) dediâmetro;
• As 3 galáxias mais luminosassão M31 (Andrômeda), ViaLáctea e M33 (galáxia doTriângulo);
• M31 e a Via Láctea possuem umsistema de galáxias satélitespróprio;
• 3 galáxias são espirais: ViaLáctea, M31 e M33;
• 14 galáxias são irregulares dediferentes tamanhos
• As demais são galáxias anãselípticas ou anãs esferoidais.
NGC3109: irregular
IC10: irregular
M33: espiral M110: anã elíptica
Anã de Antlia: anã esferoidal
Andrômeda (M31): espiral
M32: anã elíptica
NGC0147: anã esferoidal
Sistemas de galáxias
• Galáxias não estão distribuídasuniformemente no espaço, mastendem a se concentrar emsistemas de todos ostamanhos, onde se encontramligadas gravitacionalmente;
• Esses sistemas são classificadosem duas categorias: grupos eaglomerados;
• Grupos: dezenas de galáxias;• Aglomerados: centenas a mi-
lhares de galáxias.
Grupo de galáxias
• Contém até cinquentagaláxias luminosas (lumino-sidade semelhante à Via-Láctea);
• Massas da ordem de1013Msol em um diâmetrode 1Mpc (≈1022m);
• Galáxias orbitam o centro dogrupo com velocidades daordem de 150km/s;
• São a estrutura de galáxiasmais comum do universo,por volta de 50% dasgaláxias do universo localestão em grupos.
Aglomerados de galáxias
• Contém de centenas amilhares de galáxias lumino-sas;
• Massas da ordem de 1014-1015Msol em uma região dediâmetro de mais de 2Mpc;
• Galáxias orbitam o centro doaglomerado com enormesvelocidades, da ordem de1000km/s;
• No centro de aglomeradosse encontram galáxias elíp-ticas gigantes
• São as maiores estruturasgravitacionalmente ligadasdo universo;
• Por volta de 20% das galáxiasdo universo local estão emaglomerados.
Aglomerado de Virgem
• É o aglomerado degaláxias mais próximo doGrupo Local, a ≈50milhões de anos luz dedistância (≈18Mpc);
• Contém cerca de 2500galáxias (na maioria ga-láxias anãs);
• Possui três galáxias elíp-ticas gigantes: M87, M86e M84;
• Massa: ≈1014Msol;• O grupo local se move em
direção ao aglomerado devirgem a 250km/s.
Aglomerados de galáxias
• No início dos anos 1970, foidescoberto que os aglomerados degaláxias são fontes poderosas de raios-X;
• Essa emissão em raios-X não provémdas galáxias, mas sim de um gás tênueque se encontra entre as galáxias epermeia todo o aglomerado;
• Esse gás é chamado de meio intra-aglomerado;
• O meio intra-aglomerado é composto degás primordial (maioria) e de gás ejetadodas galáxias devido às explosões desupernovas;
• Gás primordial: material que sobroudurante da fase de formação das galáxias,composto de Hidrogênio e Hélio sinte-tizados logo após o Big Bang;
• Gás expulso: rico em elementos pesadoscomo Silício, Níquel, Cálcio e Ferro.
O gás intra-aglomerado
• Relação entre comprimento de onda da luz emitida e temperatura do objeto emissor: raios-X são provenientes deobjetos muito quentes;
• Gás do meio intra-aglomerado tem temperaturas típicas da ordem de 107K, podendo chegar a 108K nosaglomerados mais massivos;
• Nessas temperaturas, o gás está completamente ionizado, isto é, os elétrons não estão ligados aos núcleosdos átomos.
O gás intra-aglomerado
• Qual o mecanismo que origina a emissãoem raios-x? É o processo bremsstrahlung;
• Bremsstrahlung: radiação de freamento.Um elétron (carga negativa), ao passarpróximo a um núcleo atômico (cargapositiva) é freado pela atraçãoeletromagnética. O elétron perde energiacinética via emissão de um fóton;
• Como o fóton escapa do aglomerado, ogás quente perde energia toda vez queum fóton é emitido;
• Ou seja, o gás quente está esfriando viaemissão de raios-x!
• Expectativa: o gás esfria mais rápido ondeo gás é mais denso (maior densidade =>encontros mais frequentes entre elétronse núcleos atômicos);
• Onde o gás quente é mais denso? Nocentro dos aglomerados!
Elétron Fóton
Núcleo atômico
Filamentos de gás frio (vermelho). Crédito: Tremblay et al. 2016
Corrente de Resfriamento
• O gás quente esfria mais rapidamente onde émais denso (centro de aglomerados);
• Gás ideal: um conjunto de átomos que estãoem movimento constante e aleatório, cujasvelocidades médias estão relacionadas com atemperatura - quanto maior a temperatura,maior a velocidade média;
• Então: resfriamento do gás => velocidademédia menor;
• Velocidade média de um gás a 107K: alta osuficiente para átomos resistirem à atraçãogravitacional das galáxias;
• Porém, conforme o gás no centro doaglomerado esfria, a velocidade média cai eem um dado momento os átomos nãoconseguirão mais resistir à atraçãogravitacional;
• Corrente de resfriamento: fluxo de gás emqueda livre em direção à galáxia central doaglomerado.
Filamentos de gás frio (vermelho). Crédito: Tremblay et al. 2016
Corrente de Resfriamento
• Problema: correntes de resfriamento sãoobservadas em alguns poucos aglomerados,porém deveriam ser comuns;
• Algo deve estar esquentando o gás. O quepoderia ser?
Núcleos Ativos de Galáxias
• No centro de galáxias massivas existemburacos negros supermassivos, com massasde milhões a bilhões de vezes a massa do sol;
• Quando esses buracos negros estãoengolindo grandes quantidades de matéria, agaláxia está em uma fase de núcleo ativo;
• Material caindo em direção ao buraco negrolibera enormes quantidades de energia;
• Uma pequena parte das partículas escapa decair no buraco negro, formando um jato departículas com velocidades próximas às daluz;
• Esse jato viaja enormes distâncias, inclusiveescapando da galáxia onde se origina;
• Poderia esse jato aquecer o gás no centro deaglomerados? Sim!
• Como isso aconteceria? Partículas no jato sechocariam com partículas do gás, acelerando-as (maior velocidade => maior temperatura);
• Esse fenômeno é observado?
Jato
Jato
Galáxia central
Gás quente
Jato
Jato
Galáxia central
Corrente de Resfriamento
• Núcleos ativos de galáxiaexplicam porque correntes deresfriamento raramente sãoobservadas;
• Quando corrente de resfriamentotem início, gás cai em direção àgaláxia central;
• Parte do gás alcança o buraconegro supermassivo da galáxiacentral;
• Galáxia entra em fase ativa: jatose choca com gás no centro doaglomerado e o aquece, cessandoa corrente de resfriamento;
• Conclusão: correntes de res-friamento duram pouco tempo,atividade nuclear cessa res-friamento do gás.
Gás quente
Galáxias em transformação: o papel do ambiente
Galáxias espirais:
• Possuem formação estelarsubstancial acontecendo;
• Ainda possuem muito gás;
Galáxias elípticas:
• A maioria das suas estrelas évelha (vermelhas);
• Consumiram quase todo seugás, não formam novasestrelas.
Galáxias espirais vs galáxias elípticas
Bojo
Disco
Anatomia de uma galáxia lenticular
• Tipo intermediário entregaláxias espirais eelípticas no esquema declassificação de Hubble;
• São galáxias com poucogás e poeira e,consequentemente,pouca formação estelar;
• Por consequência, sãoformadas principalmentepor estrelas velhas(semelhante a galáxiaselípticas).
Galáxia isolada
Grupo de galáxias
Aglomerado de galáxias
Morfologia e ambiente
• Relação morfologia ambiente:fração de espirais cai conformeaumenta densidade do ambiente;
• Espirais são comuns em ambientesde baixa densidade como grupos eentre galáxias isoladas;
• Lenticulares são comuns emgrupos e dominantes emaglomerados;
• A fração de elípticas crescesubstancialmente em aglomeradosde galáxias;
• Conclusão: morfologia estárelacionada a densidade;
• Ambientes densos transformamdiscos em esferas?
• Ambientes densos causam perdade gás?
Fusões de galáxias• Fusões podem ser de dois tipos,
dependendo da massa das galáxiasenvolvidas: fusão maior e fusãomenor;
• Fusão maior: Mmaior/Mmenor < 3;• Em uma fusão menor, a galáxia
menos massiva é destruída, suasestrelas se misturam com as dagaláxia mais massivas;
• Em uma fusão maior, as duasgaláxias são completamentedestruídas e a galáxia remanescenteterá uma forma diferente, adepender da quantidade de gás nasgaláxias que se fundiram;
• Onde mais ocorrem: grupos e partesexternas de aglomerados.
Canibalismo galáctico• Através da fricção dinâmica, órbita de
uma galáxia menor vai “encolhendo”até ela se fundir com uma galáxiamaior (tipo de fusão menor);
• Galáxias grandes crescem pela acreçãode várias galáxias menores;
• Estrelas da galáxia menor se juntam aohalo da galáxia maior;
• Mecanismo de formação de galáxiaselípticas gigantes em centros deaglomerados;
• Onde mais ocorre: centro de grupos eaglomerados.
Assédio galáctico• Ocorre quando duas galáxias
passam próximo uma aoutra, mas com velocidadesmuito altas para que sefundam;
• Galáxias tem suas formasdistorcidas e perdem suasestrelas mais externas;
• Ao passar por muitosencontros próximos, umagaláxia pode se tornar anã;
• Onde mais ocorre: centro deaglomerados, onde galáxiasorbitam em altas velocidades(por isso fusões são raras).
Pressão de arraste• Conforme uma galáxia se move ao longo de
sua órbita no aglomerado, o gás no discoda galáxia sofre uma força de arraste porparte do gás quente do aglomerado;
• Como resultado, galáxia tem seu gásarrancado e para de formar novas estrelas;
• Gás que está sendo arrancado é com-primido e novas estrelas se formam natrilha;
• Conclusão: a pressão de arraste trans-forma galáxias espirais em lenticulares;
• Explicação para crescimento do número delenticulares em aglomerados;
• Porém: galáxia muito massivas conseguemresistir à força de arraste;
• Apesar de grandes quantidades de gásquente também existirem entre galáxias deum grupo, esse gás não é denso suficientepara causar força de arraste.
Trilha de gás arrancado
Estrangulamento• Galáxias isoladas ou em grupos possuem
um reservatório de gás quente ao seuredor, no halo;
• Esse reservatório é formado por gásprimordial acretado do meio inter-galáctico e por gás expelido do disco(supernova, ventos estelares);
• Esse gás aos poucos esfria e cai emdireção ao disco (de fato, vemos no haloda Via-Láctea nuvens de gás caindo emdireção ao disco!), abastecendo o discoda galáxia com combustível para formarnovas estrelas;
• Galáxias em aglomerados, porém, têmesse reservatório arrancado pela forçade arraste (mesmo as muito massivas);
• Assim, a galáxia deixa de recebercombustível para formar novas estrelase morrerá uma vez que o gás no discoseja transformado em estrelas.
Aglomerados e matéria escura
Massa de aglomerados
• Como aglomerados estão emequilíbrio, a sua massa pode serdeterminada a partir do Teoremado Virial: 2Ecinetica + Egravitacional = 0;
• Lembrando: galáxias orbitam ocentro do aglomerado comenormes velocidades, da ordemde 1000km/s;
• O astrônomo Fritz Zwicky calculoua massa de aglomerados dessemodo (1933) e concluiu que osaglomerados tinham ≈10 vezesmais massa que a soma dasmassas das galáxias.
• Tipicamente, 3% da matéria totaldos aglomerados está na formade estrelas em galáxias.
Massa de aglomerados
• A temperatura do gás quente é atemperatura necessária para que o gásesteja em equilíbrio com o potencialgravitacional do aglomerado;
• Se o gás fosse muito mais quente, avelocidade das partículas seriasuficiente para escapar do aglo-merado; se ele fosse muito mais frio,ele seria capturado pelas galáxias;
• Assim, calculamos qual a energiacinética do gás baseado na suatemperatura e usamos o Teorema doVirial para calcular a massa doaglomerado;
• A massa de gás quente podemoscalcular a partir da luminosidade emraios-x do aglomerado;
• Tipicamente, 15% da matéria total dosaglomerados está na forma de gásquente.
Lentes Gravitacionais
• Relatividade Geral (Einstein -1915): uma grande concentraçãode massa “curva o espaço”, aponto de fazer a luz seguir umatrajetória curva;
• Imagens de galáxias distantessão deformadas quando sualuz atravessa o intenso campogravitacional de um aglomeradode galáxias.
Lentes Gravitacionais
• O efeito de lentes gravitacionaisocorre em diferentes escalas(lentes podem ser estrelas, galáxias,aglomerados) e diferentesintensidades;
• Como a luz percorre diferentestrajetórias, além das imagensserem distorcidas, elas podem sermúltiplas;
• O efeito depende tanto da massatotal da lente quanto de suadistribuição de massa: podemos usaro lenteamento gravitacional paracalcular a massa de aglomerados.
Anel de Einstein
Cruz de Einstein
Arcos Gravitacionais
Estimativa de massa de aglomerados pelo
lenteamento gravitacional
• O fenômeno de lenteamento gravita-cional é utilizado para mapear a distri-buição total de matéria em galáxias eaglomerados;
• Permitem portanto “ver” a matériaescura, que não interage com a luz eque representa a maior parte da massadesses objetos;
• Quanto maior a distorção nas imagensdas galáxias distantes, maior o poten-cial gravitacional que causou tal dis-torção e, consequentemente, maior amassa do aglomerado;
• Tipicamente, 15% da matéria total dosaglomerados está na forma de gásquente e 3% em estrelas em galáxias;
• Os 82% restantes são matéria escura.
Colisão de aglomerados
• Aglomerado da Bala: colisão entre doisaglomerados;
• Separação entre os componentes:galáxias, gás (rosa, emissão em raios-X),matéria escura (azul, lenteamento gravi-tacional);
• Permite estudo das propriedades damatéria escura;
• Gás deslocado em relação às galáxias:gás interage via gravidade e forçaseletromagnéticas, logo é freado commais força que as galáxias;
• Como galáxias só interagem viagravidade e a matéria escura segue asgaláxias, concluímos que o freamento deambos é igual (ou muito próximo –diferença imperceptível);
• Logo, se as partículas de matéria escurainteragem por outra força que não agravidade, ela deve ser muito fraca (paracausar um freamento mínimo).
Galáxias +matéria escura
Galáxias +matéria escura
Gás quente
Direção domovimento
Direção domovimento
Superaglomerados
• Em escalas ainda maiores queaglomerados e grupos de galáxias, ouniverso se organiza em filamentos evazios (regiões com poucas galáxias);
• Assim como as galáxias, osaglomerados e grupos não estãodistribuídos aleatoriamente noespaço;
• Aglomerados e grupos de galáxias seagrupam em gigantescas estruturaschamadas de superaglomerados;
• O grupo local faz parte dosuperaglomerado de Laniakea (emamarelo na figura);
• O superaglomerado de Laniakea éformado por 100.000 galaxias seestendendo por mais de 160Mpc(520 milhões de anos luz);
• Sua massa aproximada é de 1017Msol.