Astronomia
Objectivos de Aprendizagem
Ao final desta secção, você será capaz de:
- Descrever a estrutura da Via Láctea e como os astrônomos a descobriram
- Comparar modelos teóricos para a formação de braços espirais em galáxias de disco
Astrônomos foram capazes de fazer um tremendo progresso no mapeamento da estrutura espiral da Via Láctea após a descoberta da linha de 21 cm que vem do hidrogênio frio (veja Entre as Estrelas: Gás e Pó no Espaço). Lembre-se que o efeito obscurecedor da poeira interestelar nos impede de ver estrelas a grandes distâncias no disco em comprimentos de onda visíveis. Entretanto, ondas de rádio de 21 cm de comprimento de onda passam através da poeira, permitindo aos astrônomos detectar átomos de hidrogênio em toda a Galáxia. Levantamentos mais recentes da emissão infravermelha das estrelas no disco forneceram uma perspectiva semelhante, sem poeira, da distribuição estelar da nossa Galáxia. Apesar de todo esse progresso nos últimos cinquenta anos, ainda estamos apenas começando a fixar a estrutura precisa da nossa Galáxia.
Os braços da Via Láctea
Nossas observações de rádio do componente gasoso do disco indicam que a Galáxia tem dois braços espirais principais que emergem da barra e vários braços mais fracos e esporas mais curtas. Você pode ver um mapa recentemente montado da estrutura de braços da nossa Galáxia – derivado de estudos no infravermelho – na Figura 1.
Figure 1. Barra da Via Láctea e Braços: Aqui, vemos a Via Láctea Galáxia como ela pareceria de cima. Esta imagem, reunida a partir de dados da missão WISE da NASA, mostra que a Via Láctea Galáxia tem uma barra modesta nas suas regiões centrais. Dois braços espirais, Scutum-Centaurus e Perseus, emergem das extremidades da barra e se enrolam em volta da protuberância. Os braços Sagitário e Externo têm menos estrelas do que os outros dois braços. (crédito: modificação do trabalho pela NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech))
O Sol está perto da borda interna de um braço curto chamado Orion Spur, que tem cerca de 10.000 anos-luz de comprimento e contém características tão notáveis como o Cygnus Rift (a grande nebulosa escura na Via Láctea de Verão) e a brilhante Nebulosa de Orion. A figura 2 mostra alguns outros objectos que partilham connosco esta pequena secção da Galáxia e que são fáceis de ver. Lembre-se, quanto mais longe tentamos olhar do nosso próprio braço, mais a poeira da Galáxia se acumula e torna difícil de ver com luz visível.
Figure 2. O Esporão de Orion: O Sol está localizado no Esporão de Órion, que é um braço espiral menor localizado entre dois outros braços. Neste diagrama, as linhas brancas apontam para alguns outros objetos notáveis que compartilham esta característica da Via Láctea Galáxia com o Sol. (crédito: modificação do trabalho pela NASA/JPL-Caltech)
Formação da Estrutura Espiral
À distância do Sol do seu centro, a Galáxia não gira como uma roda sólida ou um CD dentro do seu leitor. Ao invés disso, a forma como objetos individuais giram ao redor do centro da Galáxia é mais parecida com o sistema solar. As estrelas, assim como as nuvens de gás e poeira, obedecem à terceira lei de Kepler. Objetos mais distantes do centro levam mais tempo para completar uma órbita ao redor da Galáxia do que aqueles mais próximos do centro. Em outras palavras, estrelas (e matéria interestelar) em órbitas maiores na trilha da Galáxia atrás daquelas em órbitas menores. Este efeito é chamado de rotação galáctica diferencial.
Rotação diferencial parece explicar porque tanto material no disco da Via Láctea está concentrado em características alongadas que se assemelham a braços espirais. Não importa qual seja a distribuição original do material, a rotação diferencial da Galáxia pode esticá-la em características espirais. A Figura 3 mostra o desenvolvimento de braços espirais a partir de duas manchas irregulares de matéria interestelar. Note que como as porções das blobs mais próximas do centro galáctico se movem mais rápido, aquelas mais distantes para trás.
Figure 3. Modelo Simplificado para a Formação de Braços Espirais: Este esboço mostra como os braços espirais podem se formar a partir de nuvens irregulares de material interestelar esticado pelas diferentes taxas de rotação em toda a Galáxia. As regiões mais afastadas do centro galáctico demoram mais tempo a completar as suas órbitas e assim ficam atrás das regiões interiores. Se este fosse o único mecanismo para criar braços espirais, então, com o tempo, os braços espirais acabariam e desapareceriam completamente. Como muitas galáxias têm braços espirais, eles devem ter vida longa, e deve haver outros processos em ação para mantê-los.
Mas esta imagem de braços espirais apresenta um problema imediato para os astrônomos. Se isso fosse tudo, a rotação diferencial – sobre os cerca de 13 bilhões de anos de história da Galáxia – teria ferido os braços da Galáxia cada vez mais apertados até que toda a semblante da estrutura espiral tivesse desaparecido. Mas será que a Via Láctea tinha mesmo braços em espiral quando se formou há 13 mil milhões de anos? E os braços espirais, uma vez formados, duram tanto tempo?
Com o advento do Telescópio Espacial Hubble, tornou-se possível observar a estrutura de galáxias muito distantes e ver como elas eram pouco depois de terem começado a se formar há mais de 13 bilhões de anos. O que as observações mostram é que as galáxias em sua infância tinham regiões brilhantes e desajeitadas de formação de estrelas, mas nenhuma estrutura espiral regular.
Nos anos seguintes, as galáxias começaram a “se estabelecer”. As galáxias que se iam tornar espirais perderam os seus maciços e desenvolveram uma protuberância central. A turbulência nestas galáxias diminuiu, a rotação começou a dominar os movimentos das estrelas e do gás, e as estrelas começaram a se formar em um disco muito mais silencioso. Pequenos tufos formadores de estrelas começaram a formar braços espirais difusos e não muito distantes. Braços espirais brilhantes e bem definidos começaram a aparecer apenas quando as galáxias tinham cerca de 3,6 bilhões de anos de idade. Inicialmente, existiam dois braços bem definidos. Estruturas multiarmas em galáxias como vemos na Via Láctea só apareceram quando o Universo tinha cerca de 8 bilhões de anos.
Discutiremos a história das galáxias com mais detalhes em A Evolução e Distribuição das Galáxias. Mas, mesmo a partir da nossa breve discussão, você pode ter a sensação de que as estruturas em espiral que agora observamos em galáxias maduras surgiram mais tarde na história completa de como as coisas se desenvolvem no Universo.
Os cientistas têm usado cálculos de supercomputador para modelar a formação e evolução dos braços. Estes cálculos seguem os movimentos de até 100 milhões de “partículas estelares” para ver se as forças gravitacionais podem levá-las a formar uma estrutura espiral. O que estes cálculos mostram é que nuvens moleculares gigantes (que discutimos em Between the Stars: Gas and Dust in Space) têm influência gravitacional suficiente sobre o seu redor para iniciar a formação de estruturas que se parecem com braços espirais. Estes braços tornam-se então auto-perpetuadores e podem sobreviver por pelo menos vários bilhões de anos. Os braços podem mudar o seu brilho com o tempo à medida que a formação de estrelas vem e vai, mas não são características temporárias. A concentração de matéria nos braços exerce força gravitacional suficiente para manter os braços juntos durante longos períodos de tempo.
Conceitos Chave e Resumo
A distribuição gasosa no disco da Galáxia tem dois braços espirais principais que emergem das extremidades da barra central, juntamente com vários braços mais fracos e esporas curtas; o Sol está localizado em uma dessas esporas. As medições mostram que a Galáxia não roda como um corpo sólido, mas sim como suas estrelas e gás seguem uma rotação diferencial, de modo que o material mais próximo do centro galáctico completa sua órbita mais rapidamente. Observações mostram que galáxias como a Via Láctea levam vários bilhões de anos após terem começado a se formar para desenvolver estrutura espiral.
Glossary
diferencial de rotação galáctica:
a ideia de que diferentes partes da Galáxia giram a ritmos diferentes, uma vez que as partes da Galáxia seguem a terceira lei de Kepler: objectos mais distantes demoram mais tempo a completar uma órbita completa em torno do centro da Galáxia
braço espiral:
uma região em forma de espiral, caracterizada por material interestelar relativamente denso e estrelas jovens, que é observada nos discos das galáxias espirais