ASTRONOMIA EXTRAGALÁCTICA

1. ASTRONOMIA EXTRAGALÁCTICA

2. Galáxias: ...objetos com aparência nebulosa esbranquiçados…! Romanos --> Via - Láctea (caminho de leite) Gregos --> Galáxia (leite)

3. Visão Histórica e Produção da Época - 1610 : Galileu  1o a perceber que a VL era uma vasta coleção de *s individuais - 1771 : Messier (M) c/ 45 objs (M31, M33) - 1775 : E. Kant + Wright--> suspeitam de outros agreg. de *s --> ¨Universos Ilhas¨ - 1786 : W. Herschel --> General Catalogue (GC) c/ 1000 objs - 1787 : W. Herschel --> *s não estavam distrib. ao acaso Produção --> confecção de vários catálogos: - 1850 : Parsons constrói o maior telesc. da época (Irlanda)  “resolve” p/ 1a vez a estrutura espiral de algumas nebulosas  sugere que estes objs poderiam estar rodando - 1864 : J. Herschel --> amplia o GC (5000 objs) - 1888 : Dreyer--> New General Catalogue (NGC) c/ ~ 7000 objs --> 2 extensões:IC (1895),IC (1908), com ~ 13.000 objs • … Telescópios já eram conhecidos no séc XVIII, ..mas não ¨resolviam¨ as nebulosas...!

4. 1912  Slipher verifica a presença de linhas espectrais desviadas via Doppler em certo número destes objs • Os argumentos sobre a natureza destes objs  distancia e tamanho … alguns cientistas acreditavam que as “nebulosas” eram  nuvens de gás dentro da Galáxia …e outros  existência de “Universos Ilhas” (Kant) …ou seja, de natureza extragaláctica…

5. Grande Debate: não resolve a polêmica…! • 1920  National Academy of Sciences, Washington • Shapley(Mte Wilson)  neb. eram objs da Galáxia - m da nova em M31 (se o disco de M31 fosse tão gde qto ao da MW seu tamanho angular seria de 3ox1o  d tão gde que a L de uma nova seria muito maior que a encontrada na MW) - Mto próprio de M101  alta rotação angular  se o D fosse ~ MW objs próximos a borda teriam veloc. em excesso comparada c/ MW • Curtis (Lick Obs.)  sistemas externos - argumentava que se as novas tivessem o mmo brilho intrínseco que as da MW  deveriam estar a 150 Kpc de d…!

6. Edwin Hubble • 1926: Hubble resolve a questão  descobre Cefeidas variáveis em Andrômeda (M31) Via Telesc. Mte Wilson  mediu m de algumas Cefeidas obteve M via relação P-L  aplica a relação do “módulo de distância” m-M = 5logd – 5, d=285 Kpc Portanto, confirma a existência de outros sistemas de galáxias…ASTRONOMIAEXTRAGALÁCTICA

7. 2 outras grandes contribuições: 1923-1936 Primeira: Interpretação dos deslocamentos das linhas espectrais em galáxias  Expansão do Universo

8. Segunda: Morfologia de GALÁXIAS

9. Galáxias.... - Por definicão, são sistemas que compartilham bilhões de estrelas com gás (ionizado e/ou neutro), poeira, campo magnético, raios-cósmicos, luz emitida p/ estrelas, matéria escura (“dark-matter” gravitacionalmente ligados! - Consideradas os constituintes fundamentais do Universo - ¨tijolos do Universo¨ # Pto de vista macroscópico --> distrib. gde escala --> arq. Universo - Existe pouca dúvida do pq elas existem: gravidade é responsável - Estes sistemas são semelhantes na forma ? Existem diferentes morfologias associadas as galáxias ? Pq ?

10. Sistemas de Classificação Morfológico - Vários sistemas conhecidos  Morgan (58), van den Bergh (60), de Vaucouleurs (63), Hubble – SCH (26 - 36) , conhecido também como Diagrama ¨Tuning-Fork¨ (D-TF): E, S, Lenticulares (SO), Irregulares (Irr)

11. Walter Baade • Mte Wilson Observatory • 1944  Conferência do Vaticano  diferentes componentes das galáxias, abrigam diferentes pop. estelares  conceito de População Estelar • População da componente esferoidal  + velha, em média, que a do disco  maior repres. de estrelas com abundâncias muito baixas de elementos químicos pesados (C, O, N, Si, Mg, Fe) • População do disco  + jovem, com proporções maiores de elementos pesados, ricas em metais • # Pto de vista microscópico --> const. interna --> pop. estelares

12. Elípticas (E) # 1 única componente com morfologia elipsoidal # Cor ~ cte  1 única pop. estelar dominante (!!) # Dif. graus de achatamento (Eo --> E7)  e= 1-b/a # Estrutura  via fotometria # Pto de vista cinemático –> primariamente dispersão de velocidade anisotrópica # Existe correlação entre L~s4 (Lei de Faber Jackson)

13. # Distribuição de luminosidade decrescente do centro p/ a borda  perfil de distribuição de brilho: Lei R ¼ou Lei de de Vaucouleurs I(R) = Ie exp {-7.67[(R/Re)1/4 – 1]} , Re  raio efetivo; Ie  brilho superf. em Re • A luminosidade L das E varia por um fator de 107 • A Fção de L, f(L), que descreve o número relativo de galáxias com diferentes luminosidades, é definida como sendo o número de gal. com L no intervalo L + dL dentro de uma unidade de volume, descrita p/ uma aprox. analítica conhecida como Lei de Schechter • f(L)dL = n* (L/L*)a exp (-L/L*)dL/L*

14. Diferenças entre morfologias iguais • E normais  gE’s, E’s, cE’s 108 <MEn<1013 -15<MB< -23 ~1 < D(Kpc)< 200 7<M/L(Mo/Lo) < 100 1< F (aglom. Glob.) <10

15. Espirais (1) # Várias componentes: bojo, disco, halo e algumas vezes, barra --> bojo e halo c/ morfologia esferoidal; disco com morfologia achatada contendo braços espirais # Básicamente possuem 2 famílias: ordinárias ou comuns (S) e as barradas (SB ) - a barra é considerada uma componente a mais, e se localiza entre bojo e braços e é axisimétrica) # Estas famílias podem estar em diferentes grupos, diferenciados em relação a dimensão relativa do bojo e grau de enrolamento dos bracos Sa --> Sb --> Sc SBa --> SBb --> SBc ---------------------------------------------> ....ordem decrescente dos bojos ....ordem de braços mais desenrolados

16. Espirais (2) • Famílias interm. Sa, Sab, Sb, Sbc, etc…(idem p/ barradas) • Leis de distribuição de brilho  R1/4 p/ o bojo (~ E)  exponencial p/ disco I(r) = Io e –r/ro , ro raio característico Io L extrapolada # Comportamento cinemático vai depender da componente: bojos --> dispersão de veloc. ; discos --> rotação

17. Irregulares • Irregulares (Irr): # Morfologia s/ simetria de rotação --> 2 tipos: Irr I ~ magelânicas (cont. Scs) Irr II – forma irreg. s/ simetria # Apresentam gdes qdes de poeira....

18. Considerações importantes sobre o SCH ou D-TF • Se aplica bem a galáxias brilhantes • Hubble acreditava que as dif. morfologias poderiam estar representando uma sequência evolutiva: E-->S … ou … S-->E 1. Brilho superf. E --> é muito >>> do que das S 2. Momento angular/área das S --> >> E...incompatível c/ um cenário onde galáxias são formadas como S e vão se transmutando em E...e vice-versa... ….ou seja, o SCH NÃO representa uma sequência evolutiva! .…Outras considerações 

19. Pbs com o SCH - SCH não é representativo de todas as morfologias encontradas em galáxias. Exs: cD’s, anãs de baixo brilho superficial, peculiares -Até mesmo p/ S não considera peculiaridades entre diferentes tipos de braços --> floculentas e ¨grand-- design¨ - Gal. foram classificadas de acordo c/ razão axial aparente - Ignora dicotomia entre Irr normais e barradas - Não pode ser aplicado, pelo menos isoladamente, a galáxias a altos ¨red-shifts¨

20. Apesar da incompleteza….o Diagrama de Hubble reflete, simplificadamente, o comportamento de algumas propriedades básicas de galáxias…, por ex… 1. MIS (gás + poeira): aumenta em direção as ¨late-type¨ E ----> So ----> S ----> Irr Irr --> ~ 20-25% S --> ~ 1-2 % E --> muito menos... 2. Cor e Conteúdo Estelar E ----> So ----> S ----> Irr pop.+ vermelha ---------> nas comp. esferoidais e azul no disco E-->Sa: cor ~ *s K ; Sb: *s cor ~ K e F ; Sc-->Irr: *s cor ~ A e F 3. Razão bojo/disco ---> diminui das Sa --> Sc

21. Quais as ordens de grandeza da M, D e L de galáxias ? ESPIRAISELÍPTICAS Massa (MO) 10 9 –>1012 106 1013 Diâmetro (Kpc) 5  50 1  200 Luminosidade (LO) 108 1011 106 1011 (~1038 < L < 1040 ergs.s-1 ) (LO ~ 1033 ergs.s-1 )

22. Respostas relativas a formação de galáxias começaram a surgir somente na década de 60…! - 1962 , Lynden Bell, Eggen, Sandage, estudando cinemática de *s anãs verificam: - *s de baixa metalicidade -->órbitas excêntricas, pouco momento angular, ocupam várias alturas em relação ao disco - *s de alta metalicidade --> órbitas ~ circulares, concêntricas no plano da galáxia

23. Cenário Monolítico .... de formação de galáxias, que prevê 2 fases: 1a) Fase rápida --> escala de T~ 100 milhões de anos; responsável p/ formacão das componentes esferoidais ---> forma *s + velhas; - metálicas 2a) Fase lenta --> resp. p/ formacão do disco--> forma *s + jovens; + metálicas ....este cenário parecia então responder a pergunta deixada p/ Hubble, sobre a questão da diversidade morfológica...,então, E e S têm morfologias diferentes pq dependem da eficiência de transformação do gás em estrelas …Entretanto…

24. Pbs com este cenário • Como explicar dif. entre idade e metalicidade nos aglom. globulares ? • Metade de tds as estrelas do halo tem rotação retrógrada, com Vrot. líquida de 0Km/s..! …os estudos da cinemática de estrelas do halo e de aglomerados parece sugerir que o meio ambiente local da MW era turbulento e aglutinado • Variação na idade de componentes distintas da galáxia (disco fino velho e jovem, disco espesso) ? • Existência de espirais “sem bojo” ? • Como interpretar as “regiões brilhantes” obs em bojos de galáxias pelo telescópio espacial, indicando regiões recentes de formação estelar, no contexto do Cenário Monolítico ? • …e os bojos retangulares ?

25. Avanços Tecnológicos • Fotometria: # permite estudar a estrutura de galáxias # identificação de componentes # distrib. e det. da Massa # pistas sobre prop. dinâmicas e evolutivas # ML/Mescura (missing mass) # evolução química

26. Fotometria CCD CCD – Charge-Coupled Device Detectors # déc 70  maior ef. quântica  ampla faixa dinâmica linearidade maior sensibilidade • Pacotes de aplicativos (ex. IRAF) • Pbs até déc. 90  1 banda passante; mag. Integrada e diâmetro…

27. Tratamento de Imagens (1)

28. Tratamento de Imagens (2)

29. Informações Estruturais

30. Avanços Científicos • Novos tipos de galáxias; melhores informações sobre as classes mais conhecidas • Complexidade e inhomogeneidade nas Ee SO: - triaxialidade - gde fração da E tem poeira - classe da Eboxy, Edisk - envelopes, discos fracos ou subestruturas - núcleo com rotação retrógrada - anéis de poeira - anéis polares - diversidade: cD’s (1Mpc; -23<MB<-25mg; 1013 < m < 1014 MO ) dE’s dSph’s (extremo de baixa L) BCD’s (muito azuis, 0.0<B-V<0.3)

31. …p/ as SO’s - sempre foi controvertida - detecção de gás neutro e ionizado, em algumas - estudos fotométricos  bojo tem prop. interm. E e S - estudos espectroscópicos e de cores  S sem gás - SO  podem chegar até ai por diferentes vias… • Espirais (S) - maiores avanços  braços  morfologia deles depende diretamente de processos de instabilidade no disco (interna ou externa) - tendência s/ instabilidade  floculentos c/ instabilidade  “grand design” - ressonância: rings, barras, - bojos retangulares e “peanut” (rotação cilíndrica)

32. Plano Fundamental • Relação Faber-Jackson p/ E’s L a sa 3<a<5 • Esforço de melhorar o espalhamento introd. 2o parâmetro : re  L a s02.65 re0.65 , então as gal. são visualizadas em uma superfície bi-dimensional em um plano tri-dimensional, representado p/ coordenadas L, s0, re  plano fundamental (E, bojos, etc)

33. Como explicar as morfologias “patológicas” ? • Galáxias são sistemas “sociais”  geralmente em grupos que variam na riqueza desde pares  aglomerados  superaglomerados • Grupos  1 Mpc • Aglomerados  ~ alguns Mpc • Superaglomerados  ~ 50 Mpc e maiores…. • Massas variam na escala de aglom. e superaglom. 10 15 -- 10 16 MO

34. O conteúdo morfológico varia dependendo da riqueza ou densidade do aglomerado # Agrupamento pobre pred. de S # Aglom. ricos  galáxias E no centro, e S na borda PQ ? • Como a dimensão das gal. é grande comparada a distância entre elas efeitos de maré são importantes  canibalismo  Transmutação Morfológica • Explicaria a segregação morfológica alguns objetos peculiares que obs  diferentes estágios de “fusão” • Poderia justificar dif. morf. E e S(protogaláxias)  vínculos com formação de galáxias • “Galáxias Ativas” grupos densos

35. Aglom. hojerepletos de E  passado (4-5 bilhões de anos- 1/3 mais jovem) muitas S (?!)Nurture & Nature

36. Grupo Local • Contêm da ordem de 30 membros conhecidos  maioria anãs • Galáxias dominantes do grupo  Andrômeda e VL (S) • Satélites da VL  Nuvens de Magalhães (Irr) e SagDEG, Canis Major Dwarf

37. Pq red ou blue-shift no GL ?

38. Grupos Densos e Ricos • Exs: Virgo, Coma, Hydra • Estruturas irregulares ou regulares  estágio evolutivo do aglom. • Estimativa da massa  gals indiv. ou binárias; via gás intraglomerado (R-XChandra) • Matéria Escura

39. Superaglomerados - Universo em grande escala mostra distribuição aparentemente homogênea de hiperestruturas e vazios com dimensões: Estruturas ~~1 bilhão de a.l Vazios  250 milhões de a.l • Gravidade  atração entre td e qualquer matéria/energia  não sabemos pq existe gravidade nem entendemos completamente c/o a Fg é exercida # sabemos que ela é responsável por coletar qdes absurdas de matéria em vastos “continentes”, separados por “vazios” comparáveis em dimensões

40. Mas… e a Evolução de Galáxias ? • Universo está em transição  evolução de gal. no passado (início) era dominada por aglutinação hierárquica e fusões dominada p/ processos violentos e rápidos • Evolução no futuro  secular: rearranjo lento da energia e massa que resultam de interações envolvendo fenômenos coletivos como barras, discos ovais, estruturas espirais e halos escuros triaxiais • No momento  ambos processos são importantes…! • Evolução  entendimento da formação das componentes de galáxias, em particular, os BOJOS

41. Estudo de bojos – um enfoque alternativo para evolução de galáxias… • Componente associada a um esferóide circundado p/ disco • Prop. ~ E: morfologia, conteúdo estelar, cinemática, distrib. brilho, etc… • Déc. 70  visão alterada: dif. prop. cinemáticas e estruturais  bojos têm rotação mais elevada que Egig  achatamento maior nos bojos  Bojos retangulares (…Eboxy) • Busca de cenários alternativos… p/ melhor adequar obs e teoria

42. Cenários alternativos • 3 atualmente propostos: Modelo de Ciclo Fechado, Modelo Hierárquico e de Evolução Secular : diferenciam entre sí p/ época de formação do bojo e disco • Bojo formado em época anterior ao disco+ velho (CM, MCF, MH) - inconsistências: amplitude de metalicidades, *’s rot. retróg., etc… - questão da destruição ou não do disco na fusão • Bojo formado quase que ao mesmo tempo do disco - cen. hierárquico  acresção de anãs contribui p/ formação gradual do bojo e disco, sem destruir o disco ant. existente …Cenário Hierárquico  as 2 versões (disco novo e de mesma idade do bojo) apresentam gde prob. de ocorrer, porém é preciso ter em mente que as estatísticas de bojos com rot. retrógrada indicam poucos casos  deve ocorrer, mas não é o cenário fundamental de formação

43. Cenário de Evolução Secular • Um cenário mais consistente • Ocorreria via instabilidades internas ou externas  barras • Série de efeitos e processos  alterar a evolução da gal. - barras coletam gás p/ centro  geram novas estrelas  provocam ressonâncias…transportam estrelas do disco p/ bojo  espessam os discos  geram bojos retangulares • 5% da Mtotal vai p/ centro  barras se dissolvem  provocam novas instab.  barras recorrentes • Alimentaria o centro de galáxias com o gás  combustível p/ núcleos ativos

44. Previsões estão no momento sendo testadas do pto de vista obs • Concreto: 70 % da galáxias possuem barras “efetivas” 30 % possuem bojos retangulares 30 % possuem gradientes de cor no disco Surtos de formação estelar obs em bojos (Hubble telesc.) Forte correlação entre Ddisco x Dbojo  processos responsáveis p/ formação destas componentes estão vinculados Similaridade entre cores de bojos e discos Cinemática de bojos  rotação cilindrica

45. Sintetizando… # Elípticas  não são tão simples  mostram diversidade na estrutura, L, prop. Cinemáticas # Bojos  gde heterogeneidade  cores, metalicidade e idade  os de alta L  ~ E; baixa L  S  morfologia não parece seguir um único padrão Os 3 cenários acima propostos parecem ocorrer e é preciso avaliar a proporção com que cd um contribui p/ formação de bojos e conseq. das gal.  as diferenças entre E e bojos parecem favorecer o Cenário Evolução Secular … o que colocaria o SCH em uma dif. perspectiva, menos dependente das condições iniciais de formação  processos de instab. Poderiam modificar a morfologia de galáxias

46. Peculiaridade na questão de emissão de energia…Galáxias Ativas ...Pode-se dizer que essencialmente aparecem em 2 estados: fundamental (1) e excitado (2) (1) ou normais --> ~1038 < L < 1040ergs.s-1  ~ 105 < L < 1012 LO lembrando que... (LO ~ 1033 ergss-1), e que esta L é de origem básicamente térmica (*s + MIS) luz estelar, emissão radiotérmica do gás (gás quente), emissão IR da poeira aquecida do MIS (2) excitado --> ~1044 < L < 1048 ergss-1 ~ 1023 < L < 1038 LO ...de onde vem o adicional de energia...! ? …Lembrar que galáxias com morfologia “normal” podem ser “anormais” ou pouco comum do pto de vista da emissão de E

47. (2) Galáxias Ativas e Quasares • Emissão dominada por processos não térmicos (rad. Síncroton) • Processos térmicos envolvendo E muito altas • Núcleo muito pno (diam. angular < 1”) • Em placas fotográficas aparência estelar • Linhas de emissão intensa alargadas

48. Seyfert  Seyfert (1943) identifica 6 espirais visualmente com núcleo azul muito brilhante, não usual, c/ l.e muito alargadas  Grau de ionização representado p/ l.e indica um gás c/ T local tão alta qto 1 milhão de K • rápida variabilidade em curto espaço de tempo (~dias)  tamanho da região emissora é pno e emite gdes qdes de energia • Hoje ~ milhares conhecidas  encontram-se relat. próximas 0.003 < z < 0.06  10% das Seyfert são também emissoras de rádio  Sugere-se que este “adicional” de emissão esteja associado c/ Buraco Negroou gde concentração de estrelas no centro destas gal.

50. Radiogaláxias • São tipicamente Elípticas, frequentemente Eg em centros de aglomerados • Parecem ter sido formadoas via fusão --> em geral c/ aparencia peculiar como presença de jatos de gás ionizado (M87) ou cinturões de gás ou poeira (Centauros A) • 2 tipos: compactas (emissão vem do núcleo) e extensas – 75% (emissão vem dos 'lobos') • Produção da radioemissão --> processo “Syncroton” (fortes campos magnéticos onde partcs de altas energias – tipicamente elétrons, estão se movendo a veloc. próximas a da luz.. • Radioemissão, invariavelmente, não vem da galáxia visível, mas dos pares de lobos situados em direção oposta a gal. visivel • Os lobos consistem de gás ionizado que são ejetados da galáxia central em direções opostas