Formação e evolução das galáxias
O estudo da formação e evolução das galáxias está preocupado com os processos que formaram um universo heterogêneo a partir de um começo homogêneo, a formação das primeiras galáxias, a maneira como as galáxias mudam ao longo do tempo e os processos que geraram a variedade de estruturas observadas em galáxias próximas. Acredita-se que a formação de galáxias ocorra a partir das teorias de formação de estruturas, como resultado de pequenas flutuações quânticas após o Big Bang. O modelo mais simples em concordância geral com os fenômenos observados é o modelo Lambda-CDM – isto é, o agrupamento e a fusão permitem que as galáxias acumulem massa, determinando tanto sua forma quanto sua estrutura.
Propriedades comumente observadas de galáxias
Devido à incapacidade de realizar experimentos no espaço sideral, a única maneira de “testar” teorias e modelos de evolução galáctica é compará-los com observações. As explicações de como as galáxias se formaram e evoluíram devem ser capazes de prever as propriedades observadas e os tipos de galáxias.
Edwin Hubble criou o primeiro esquema de classificação de galáxias conhecido como diagrama de 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 galáctica:
- Muitas das propriedades das galáxias (incluindo o diagrama de cor-magnitude da galáxia) indicam que existem fundamentalmente dois tipos de galáxias. Estes grupos dividem-se em galáxias formadoras de estrelas azuis que são mais como tipos em espiral, e galáxias formadoras não-estrelas vermelhas que são mais como galáxias elípticas.
- Galáxias espirais são bastante finas, densas e giram relativamente rápido, enquanto as estrelas em galáxias elípticas têm órbitas aleatoriamente orientadas.
- 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 Sol. A massa de buraco negro está ligada à galáxia hospedeiro 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 do diapasão descrevia uma sequência evolutiva para galáxias, de galáxias elípticas, passando por lenticulares, até galáxias espirais. Este não é o caso; em vez disso, o diagrama diapasão mostra uma evolução do simples ao complexo sem nenhuma conotação temporal pretendida. Os astrônomos agora acreditam que as galáxias de disco provavelmente se formaram primeiro e depois evoluíram para galáxias elípticas por meio de fusões de galáxias.
Os modelos atuais também preveem que a maioria 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 observado diretamente.
Formação de galáxias em disco
O primeiro estágio na evolução das galáxias é a sua formação. Quando uma galáxia se forma, ela tem uma forma de disco e é chamada de galáxia espiral devido ao "braço" estruturas 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 prevê 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 de disco se formam através do colapso monolítico de uma grande nuvem de gás. A distribuição da matéria no início do universo era em aglomerados que consistiam principalmente de matéria escura. Esses aglomerados interagiram gravitacionalmente, colocando torques de maré uns nos outros que agiam para dar a eles algum momento angular. À medida que a matéria bariônica esfriava, ela dissipava alguma energia e se contraía em direção ao centro. Com o momento angular conservado, a matéria próxima ao centro acelera sua rotação. Então, como uma bola giratória de massa de pizza, a matéria forma um disco rígido. Uma vez que o disco esfria, o gás não é gravitacionalmente estável, então 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, apenas interage gravitacionalmente, ela permanece distribuída fora do disco no que é conhecido como halo escuro. Observações mostram que existem estrelas localizadas fora do disco, que não se encaixam perfeitamente na "massa de pizza" modelo. Foi proposto pela primeira vez por Leonard Searle e Robert Zinn que as galáxias se formam pela coalescência de progenitores menores. Conhecido como cenário de formação de cima para baixo, essa teoria é bastante simples, mas não é mais amplamente aceita.
Teoria de baixo para cima
Teorias mais recentes incluem o agrupamento de halos de matéria escura no processo de baixo para cima. Em vez de grandes nuvens de gás colapsando para formar uma galáxia na qual o gás se divide em nuvens menores, propõe-se que a matéria tenha começado nesses aglomerados “menores” (massa da ordem dos aglomerados globulares) e, em seguida, muitos desses aglomerados se fundiram. para formar galáxias, que então foram atraídas pela gravidade 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.
Atualmente, os astrônomos não sabem qual processo interrompe a contração. De fato, as teorias da formação de galáxias em disco não são bem-sucedidas em produzir a velocidade de rotação e o tamanho das galáxias em disco. Foi sugerido que a radiação de estrelas recém-formadas brilhantes, ou de um núcleo galáctico ativo, pode retardar a contração de um disco em formação. Também foi sugerido que o halo da matéria escura pode puxar a galáxia, interrompendo 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, subestima o número de galáxias de disco fino no universo. A razão é que esses modelos de formação de galáxias prevêem um grande número de fusões. Se as galáxias de disco se fundirem com outra galáxia de massa comparável (pelo menos 15% de sua massa), a fusão provavelmente destruirá ou, no mínimo, interromperá muito 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, isso 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 formação de galáxias elípticas
As galáxias elípticas (principalmente as elípticas supergigantes, como a ESO 306-17) 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. As 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. A primeira é devido ao crescimento do buraco negro supermassivo pela acreção de gás de resfriamento. O segundo estágio é marcado pela estabilização do buraco negro ao suprimir o resfriamento do gás, deixando assim a galáxia elíptica em um estado estável. A massa do buraco negro também está correlacionada com 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. As galáxias elípticas geralmente não possuem discos, embora algumas protuberâncias de galáxias de disco se assemelhem a galáxias elípticas. As galáxias elípticas são mais prováveis de serem encontradas em regiões populosas 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 ligadas gravitacionalmente a outras galáxias, o que significa que elas nunca escaparão de sua atração mútua. Se essas galáxias em colisão forem de tamanho semelhante, a galáxia resultante não parecerá semelhante a nenhuma das progenitoras, mas será elíptica. Existem muitos tipos de fusões de galáxias, que não necessariamente resultam em galáxias elípticas, mas resultam em uma mudança estrutural. Por exemplo, acredita-se que um evento menor de fusão esteja ocorrendo entre a Via Láctea e as Nuvens de Magalhães.
As fusões entre galáxias tão grandes 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 ligadas gravitacionalmente, e atualmente se aproximando uma da outra 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.
Resfriamento de galáxias
Uma observação (veja acima) que deve ser explicada por uma teoria bem-sucedida da evolução galáctica é a existência de duas populações diferentes de galáxias no diagrama de cor-magnitude da galáxia. A maioria das galáxias tende a cair em dois locais separados neste diagrama: uma "sequência vermelha" e uma "nuvem azul". As galáxias de sequência vermelha são geralmente galáxias elípticas não formadoras de estrelas com pouco gás e poeira, enquanto as galáxias de nuvens azuis tendem a ser galáxias espirais formadoras de estrelas empoeiradas.
Conforme descrito nas seções anteriores, as galáxias tendem a evoluir da estrutura espiral para a elíptica por meio de fusões. No entanto, a taxa atual de fusões de galáxias não explica como todas as galáxias se movem da "nuvem azul" para a "sequência vermelha". Também não explica como cessa a formação estelar nas galáxias. As teorias da evolução galáctica devem, portanto, ser capazes de explicar como a formação estelar é interrompida nas galáxias. Esse fenômeno é chamado de "extinção" da galáxia.
As estrelas se formam a partir de gás frio (veja também a lei de Kennicutt–Schmidt), então uma galáxia é apagada quando não tem mais gás frio. No entanto, acredita-se que a extinção ocorra de forma relativamente rápida (em 1 bilhão de anos), o 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 das galáxias explicam isso levantando a hipótese de outros mecanismos físicos que removem ou desligam o suprimento de gás frio em uma galáxia. Esses mecanismos podem ser amplamente classificados em duas categorias: (1) mecanismos preventivos de feedback que impedem o gás frio de entrar em uma galáxia ou de produzir estrelas e (2) mecanismos de feedback ejetivo que removem o gás para que 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 estelar em galáxias próximas de baixa massa. A explicação física exata para o estrangulamento ainda é desconhecida, mas pode ter a ver com as interações de uma galáxia com outras galáxias. À medida que 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 enormes halos de matéria escura, outro mecanismo preventivo chamado “aquecimento de choque virial” também pode impedir que o gás se esfrie o suficiente para formar estrelas.
Processos ejetivos, que expelem gás frio das galáxias, podem explicar como galáxias mais massivas são extintas. Um mecanismo ejetivo é causado por buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias. As simulações mostraram que a acreção de gás em buracos negros supermassivos nos centros galácticos produz jatos de alta energia; a energia liberada pode expelir gás frio suficiente para extinguir a formação estelar.
Nossa própria Via Láctea e a vizinha Galáxia de Andrômeda parecem estar atualmente passando pela transição de extinção de galáxias azuis formadoras de estrelas para galáxias vermelhas passivas.
Galeria
![NGC 3610 shows some structure in the form of a bright disc, implying that it formed only a short time ago.[26]](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d8/A_young_elliptical.jpg/120px-A_young_elliptical.jpg)
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 fina
Uma imagem de Messier 101, uma galáxia espiral prototípica vista face-on
Uma galáxia em espiral, ESO 510-G13, foi deformada como resultado de colidir com outra galáxia. Depois que a outra galáxia é completamente absorvida, a distorção desaparecerá. O processo normalmente leva milhões se não bilhões de anos.
![NGC 3610 shows some structure in the form of a bright disc, implying that it formed only a short time ago.[26]](https://en.wikipedia.org/wiki/File:A_young_elliptical.jpg)
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