25.1: A arquitetura da galáxia
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique por que William e Caroline Herschel concluíram que a Via Láctea tem uma estrutura plana centrada no Sol e no sistema solar
- Descreva os desafios de determinar a estrutura da galáxia a partir do nosso ponto de vista dentro dela
- Identifique os principais componentes do Galaxy
A Via Láctea nos rodeia, e você pode pensar que é fácil de estudar porque está muito perto. No entanto, o próprio fato de estarmos inseridos nela representa um desafio difícil. Suponha que você tenha recebido a tarefa de mapear a cidade de Nova York. Você poderia fazer um trabalho muito melhor em um helicóptero sobrevoando a cidade do que faria se estivesse na Times Square. Da mesma forma, seria mais fácil mapear nossa galáxia se pudéssemos sair um pouco dela, mas, em vez disso, estamos presos dentro e fora de seus subúrbios — longe do equivalente galáctico da Times Square.
Herschel mede a galáxia
Em 1785, William Herschel (Figura\(\PageIndex{1}\)) fez a primeira descoberta importante sobre a arquitetura da Via Láctea. Usando um grande telescópio refletor que ele construiu, William e sua irmã Caroline contaram estrelas em diferentes direções do céu. Eles descobriram que a maioria das estrelas que podiam ver estava em uma estrutura plana ao redor do céu, e que o número de estrelas era quase o mesmo em qualquer direção ao redor dessa estrutura. Herschel concluiu, portanto, que o sistema estelar ao qual o Sol pertence tem a forma de um disco ou roda (ele pode tê-lo chamado de Frisbee, exceto que os Frisbees ainda não haviam sido inventados) e que o Sol deve estar próximo ao cubo da roda (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Para entender por que Herschel chegou a essa conclusão, imagine que você é membro de uma banda em formação durante o intervalo de um jogo de futebol. Se você contar os membros da banda que vê em direções diferentes e obter aproximadamente o mesmo número a cada vez, você pode concluir que a banda se organizou em um padrão circular com você no centro. Como você não vê nenhum membro da banda acima de você ou no subsolo, você sabe que o círculo feito pela banda é muito mais plano do que largo.
Agora sabemos que Herschel estava certo sobre a forma do nosso sistema, mas errado sobre onde o Sol está dentro do disco. Como vimos em Between the Stars: Gas and Dust in Space, vivemos em uma galáxia empoeirada. Como a poeira interestelar absorve a luz das estrelas, Herschel podia ver apenas essas estrelas dentro de cerca de 6000 anos-luz do Sol. Hoje sabemos que esta é uma seção muito pequena de todo o disco de estrelas de 100.000 anos-luz que compõe a Galáxia.
HARLOW SHAPLEY: CARTÓGRAFO DAS ESTRELAS
Até o início dos anos 1900, os astrônomos geralmente aceitaram a conclusão de Herschel de que o Sol está próximo do centro da galáxia. A descoberta do tamanho real da galáxia e de nossa localização real ocorreu em grande parte por meio dos esforços de Harlow Shapley. Em 1917, ele estava estudando estrelas variáveis RR Lyrae em aglomerados globulares. Ao comparar a luminosidade intrínseca conhecida dessas estrelas com o brilho que elas pareciam, Shapley conseguiu calcular a que distância elas estão. (Lembre-se de que é a distância que faz as estrelas parecerem mais escuras do que seriam “de perto” e que o brilho diminui à medida que a distância se eleva ao quadrado.) Saber a distância de qualquer estrela em um aglomerado nos diz a distância até o próprio aglomerado.
Aglomerados globulares podem ser encontrados em regiões livres de poeira interestelar e, portanto, podem ser vistos a distâncias muito grandes. Quando Shapley usou as distâncias e direções de 93 aglomerados globulares para mapear suas posições no espaço, ele descobriu que os aglomerados estão distribuídos em um volume esférico, que tem seu centro não no Sol, mas em um ponto distante ao longo da Via Láctea na direção de Sagitário. Shapley então fez a ousada suposição, verificada por muitas outras observações desde então, de que o ponto no qual o sistema de aglomerados globulares está centrado também é o centro de toda a galáxia (Figura\(\PageIndex{3}\)).
O trabalho de Shapley mostrou de uma vez por todas que nossa estrela não tem lugar especial na galáxia. Estamos em uma região indefinida da Via Láctea, apenas uma das 200 a 400 bilhões de estrelas que circundam o centro distante de nossa galáxia.
Nascido em 1885 em uma fazenda no Missouri, Harlow Shapley inicialmente abandonou a escola com o equivalente a apenas uma educação na quinta série. Ele estudou em casa e aos 16 anos conseguiu um emprego como repórter de jornal cobrindo histórias de crimes. Frustrado pela falta de oportunidades para alguém que não havia concluído o ensino médio, Shapley voltou e concluiu um programa de seis anos do ensino médio em apenas dois anos, graduando-se como oradora da turma.
Em 1907, aos 22 anos, ele foi para a Universidade do Missouri com a intenção de estudar jornalismo, mas descobriu que a escola de jornalismo não abriria por um ano. Folheando o catálogo da faculdade (ou assim ele contou a história mais tarde), ele por acaso viu “Astronomia” entre as disciplinas que começam com “A”. Relembrando seu interesse infantil pelas estrelas, ele decidiu estudar astronomia no próximo ano (e o resto, como diz o ditado, é história).
Após a formatura, Shapley recebeu uma bolsa para estudos de pós-graduação em Princeton e começou a trabalhar com o brilhante Henry Norris Russell (veja a caixa de notícias de Henry Norris Russell na Seção 18.4). Para sua tese de doutorado, Shapley fez grandes contribuições aos métodos de análise do comportamento de estrelas binárias eclipsantes. Ele também foi capaz de mostrar que estrelas variáveis cefeidas não são sistemas binários, como algumas pessoas pensavam na época, mas estrelas individuais que pulsam com impressionante regularidade.
Impressionado com o trabalho de Shapley, George Ellery Hale lhe ofereceu uma posição no Observatório Mount Wilson, onde o jovem aproveitou o ar puro da montanha e o refletor de 60 polegadas para fazer seu estudo pioneiro de estrelas variáveis em aglomerados globulares.
Posteriormente, Shapley aceitou a direção do Harvard College Observatory e, nos próximos 30 anos, ele e seus colaboradores fizeram contribuições para muitos campos da astronomia, incluindo o estudo de galáxias vizinhas, a descoberta de galáxias anãs, um levantamento da distribuição de galáxias no universo e muito mais. Ele escreveu uma série de livros e artigos não técnicos e ficou conhecido como um dos divulgadores mais eficazes da astronomia. Shapley gostava de dar palestras em todo o país, inclusive em muitas faculdades menores, onde estudantes e professores raramente interagiam com cientistas de seu calibre.
Durante a Segunda Guerra Mundial, Shapley ajudou a resgatar muitos cientistas e suas famílias da Europa Oriental; mais tarde, ajudou a fundar a UNESCO, a Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura. Ele escreveu um panfleto chamado Science from Shipboard para homens e mulheres nas forças armadas que tiveram que passar muitas semanas a bordo de navios de transporte para a Europa. E durante o período difícil da década de 1950, quando os comitês do Congresso começaram sua “caça às bruxas” por simpatizantes comunistas (incluindo líderes liberais como Shapley), ele se manifestou com força e sem medo em defesa da liberdade de pensamento e expressão. Homem de muitos interesses, ficou fascinado pelo comportamento das formigas e escreveu artigos científicos sobre elas e sobre galáxias.
Quando morreu, em 1972, Shapley foi reconhecido como uma das figuras fundamentais da astronomia moderna, um “Copérnico do século XX” que mapeou a Via Láctea e nos mostrou nosso lugar na Galáxia.
Para encontrar mais informações sobre a vida e obra de Shapley, veja a entrada para ele no site Bruce Medalists. (Este site apresenta os vencedores da Medalha Bruce da Sociedade Astronômica do Pacífico, uma das maiores honras em astronomia; a lista mostra quem é quem de alguns dos maiores astrônomos das últimas doze décadas.)
Discos e halos
Com instrumentos modernos, os astrônomos agora podem penetrar na “poluição” da Via Láctea estudando as emissões de rádio e infravermelho de partes distantes da galáxia. Medições nesses comprimentos de onda (bem como observações de outras galáxias como a nossa) nos deram uma boa ideia de como seria a Via Láctea se pudéssemos observá-la à distância.
A figura\(\PageIndex{4}\) esboça o que veríamos se pudéssemos ver a galáxia de frente e de ponta. A parte mais brilhante da galáxia consiste em um disco fino, circular e rotativo de estrelas distribuídas por uma região com cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro e cerca de 1000 anos-luz de espessura. (Dada a espessura do disco, talvez um CD seja uma analogia mais apropriada do que uma roda.) Além das estrelas, a poeira e o gás dos quais as estrelas se formam também são encontrados principalmente no fino disco da galáxia. A massa da matéria interestelar é cerca de 15% da massa das estrelas nesse disco.
Como\(\PageIndex{4}\) mostra o diagrama na Figura, as estrelas, o gás e a poeira não estão espalhados uniformemente pelo disco, mas estão concentrados em uma barra central e em uma série de braços espirais. Observações infravermelhas recentes confirmaram que a barra central é composta principalmente por velhas estrelas amarelo-vermelhas. Os dois braços espirais principais parecem se conectar com as extremidades da barra. Eles são destacados pela luz azul de estrelas quentes jovens. Conhecemos muitas outras galáxias espirais que também têm concentrações de estrelas em forma de barra em suas regiões centrais; por esse motivo, elas são chamadas de espirais barradas. \(\PageIndex{5}\)A figura mostra duas outras galáxias — uma sem barra e outra com uma barra forte — para fornecer uma base para comparação com a nossa. Descreveremos nossa estrutura em espiral com mais detalhes em breve. O Sol está localizado a cerca de meio caminho entre o centro da Galáxia e a borda do disco e apenas cerca de 70 anos-luz acima de seu plano central.
Nosso disco fino de estrelas jovens, gás e poeira está embutido em um disco mais espesso, porém mais difuso, de estrelas mais antigas; esse disco mais espesso se estende cerca de 1000 anos-luz acima e 1000 anos-luz abaixo do plano médio do disco fino e contém apenas cerca de 5% da massa do disco fino. As estrelas diminuem com a distância do plano galáctico e não têm uma borda afiada. Aproximadamente 2/3 das estrelas no disco espesso estão dentro de 1000 anos-luz do plano médio.
Perto do centro galáctico (dentro de cerca de 10.000 anos-luz), as estrelas não estão mais confinadas ao disco, mas formam uma protuberância central (ou protuberância nuclear). Quando observamos com luz visível, podemos vislumbrar as estrelas na protuberância apenas nas raras direções em que há relativamente pouca poeira interestelar. A primeira foto que realmente conseguiu mostrar a protuberância como um todo foi tirada em comprimentos de onda infravermelhos (Figura\(\PageIndex{6}\)).
O fato de grande parte da protuberância estar obscurecida pela poeira dificulta a determinação de sua forma. Por muito tempo, os astrônomos presumiram que era esférico. No entanto, imagens infravermelhas e outros dados indicam que a protuberância é cerca de duas vezes maior do que a larga e tem o formato de um amendoim. A relação entre essa protuberância interna alongada e a maior barra de estrelas permanece incerta. No centro da protuberância nuclear está uma tremenda concentração de matéria, que discutiremos mais adiante neste capítulo.
Em nossa galáxia, os discos finos e grossos e a protuberância nuclear estão embutidos em um halo esférico de estrelas muito antigas e fracas que se estende a uma distância de pelo menos 150.000 anos-luz do centro galáctico. A maioria dos aglomerados globulares também é encontrada nesse halo.
A massa na Via Láctea se estende ainda mais longe, bem além do limite das estrelas luminosas a uma distância de pelo menos 200.000 anos-luz do centro da galáxia. Essa massa invisível recebeu o nome de matéria escura porque não emite luz e não pode ser vista com nenhum telescópio. Sua composição é desconhecida e só pode ser detectada por causa de seus efeitos gravitacionais nos movimentos da matéria luminosa que podemos ver. Sabemos que esse extenso halo de matéria escura existe por causa de seus efeitos nas órbitas de aglomerados estelares distantes e outras galáxias anãs associadas à galáxia. Esse halo misterioso será um assunto da seção sobre A Massa da Galáxia, e as propriedades da matéria escura serão discutidas mais no capítulo sobre O Big Bang.
Algumas estatísticas vitais dos discos finos e grossos e do halo estelar são apresentadas na Tabela\(\PageIndex{1}\), com uma ilustração na Figura\(\PageIndex{7}\). Observe particularmente como a idade das estrelas se correlaciona com o local onde elas são encontradas. Como veremos, essas informações contêm pistas importantes sobre como a Via Láctea se formou.
| Propriedade | Disco fino | Disco grosso | Halo estelar (exclui matéria escura) |
|---|---|---|---|
| Massa estelar | 4 × 10 10\(M_{\text{Sun}}\) | Alguns por cento da massa fina do disco | 10 10\(M_{\text{Sun}}\) |
| Luminosidade | 3 × 10 10\(L_{\text{Sun}}\) | Alguns por cento da luminosidade do disco fino | 8 × 10 8\(L_{\text{Sun}}\) |
| Idade típica das estrelas | De 1 milhão a 10 bilhões de anos | 11 bilhões de anos | 13 bilhões de anos |
| Abundância de elementos mais pesados | Alto | Intermediário | Muito baixo |
| Rotação | Alto | Intermediário | Muito baixo |
Estabelecer essa imagem geral da galáxia do nosso ponto de vista envolto em poeira dentro do disco fino foi uma das grandes conquistas da astronomia moderna (e exigiu décadas de esforço de astrônomos trabalhando com uma ampla variedade de telescópios). Uma coisa que ajudou enormemente foi a descoberta de que nosso Glaxy não é único em suas características. Existem muitas outras ilhas planas em forma de espiral de estrelas, gás e poeira no universo. Por exemplo, a Via Láctea lembra um pouco a galáxia de Andrômeda, que, a uma distância de cerca de 2,3 milhões de anos-luz, é nossa galáxia espiral gigante vizinha mais próxima. Assim como você pode obter uma imagem muito melhor de si mesmo se outra pessoa tirar a foto à distância, fotos e outras observações diagnósticas de galáxias próximas que se assemelham às nossas têm sido vitais para nossa compreensão das propriedades da Via Láctea.
a galáxia da Via Láctea em mitos e lendas
Para a maioria de nós que vivem no século XXI, a Via Láctea é uma visão indescritível. Devemos nos esforçar para deixar nossas casas e ruas bem iluminadas e nos aventurar além de nossas cidades e subúrbios em ambientes menos povoados. Quando a poluição luminosa diminui para níveis insignificantes, a Via Láctea pode ser facilmente vista arqueando sobre o céu em noites claras e sem lua. A Via Láctea é especialmente brilhante no final do verão e início do outono no hemisfério norte. Alguns dos melhores lugares para ver a Via Láctea estão em nossos parques nacionais e estaduais, onde os empreendimentos residenciais e industriais foram reduzidos ao mínimo. Alguns desses parques organizam eventos especiais de observação do céu que definitivamente valem a pena conferir, especialmente durante as duas semanas em torno da lua nova, quando as estrelas tênues e a Via Láctea não precisam competir com o brilho da Lua.
Volte alguns séculos, e essas paisagens estreladas teriam sido a norma e não a exceção. Antes do advento da iluminação elétrica ou mesmo a gás, as pessoas dependiam de incêndios de curta duração para iluminar suas casas e caminhos. Consequentemente, seus céus noturnos eram tipicamente muito mais escuros. Confrontadas com uma infinidade de padrões estelares e a faixa transparente de luz difusa da Via Láctea, pessoas de todas as culturas desenvolveram mitos para dar sentido a tudo isso.
Alguns dos mitos mais antigos relacionados à Via Láctea são mantidos pelos aborígenes australianos por meio de suas pinturas rupestres e narrativas. Acredita-se que esses legados remontam a dezenas de milhares de anos, até quando o povo aborígene estava sendo “sonhado” junto com o resto do cosmos. A Via Láctea desempenhou um papel central como árbitra da Criação. Assumindo a forma de uma grande serpente, ela se uniu à serpente terrestre para sonhar e, assim, criar todas as criaturas da Terra.
Os antigos gregos viam a Via Láctea como um spray de leite derramado do peito da deusa Hera. Nessa lenda, Zeus secretamente colocou seu filho bebê Héracles no peito de Hera enquanto ela dormia, a fim de dar poderes imortais a seu filho meio humano. Quando Hera acordou e encontrou Héracles amamentando, ela o afastou, fazendo com que seu leite fluísse para o cosmos (Figura\(\PageIndex{8}\)).
Os chineses dinásticos consideravam a Via Láctea como um “rio prateado” feito para separar dois amantes infelizes. A leste da Via Láctea, Zhi Nu, a tecelã, foi identificada com a estrela brilhante Vega na constelação de Lyra, a Harpa. A oeste da Via Láctea, seu amante Niu Lang, o vaqueiro, foi associado à estrela Altair na constelação de Áquila, a Águia. Eles foram exilados em lados opostos da Via Láctea pela mãe de Zhi Nu, a Rainha do Céu, depois que ela soube do casamento secreto e do nascimento de seus dois filhos. No entanto, uma vez por ano, eles podem se reunir. No sétimo dia do sétimo mês lunar (que normalmente ocorre em nosso mês de agosto), eles se encontravam em uma ponte sobre a Via Láctea que milhares de pegas haviam feito (Figura\(\PageIndex{8}\)). Esse momento romântico continua sendo celebrado hoje como Qi Xi, que significa “Sétimo Duplo”, com casais reencenando a reunião cósmica de Zhi Nu e Niu Lang.
Para os índios quíchuas do Perú Andino, a Via Láctea era vista como a morada celestial de todos os tipos de criaturas cósmicas. Ao longo da Via Láctea estão inúmeras manchas escuras que eles identificaram com perdizes, lhamas, um sapo, uma cobra, uma raposa e outros animais. A orientação do quíchua em relação às regiões escuras, em vez da faixa brilhante de luz das estrelas, parece ser única entre todos os criadores de mitos. Provavelmente, seu acesso à Via Láctea do sul, ricamente estruturada, tinha algo a ver com isso.
Entre finlandeses, estonianos e culturas relacionadas do norte da Europa, a Via Láctea é considerada o “caminho dos pássaros” pelo céu noturno. Tendo observado que os pássaros migram sazonalmente ao longo de uma rota norte-sul, eles identificaram esse caminho com a Via Láctea. Estudos científicos recentes mostraram que esse mito está enraizado de fato: as aves dessa região usam a Via Láctea como guia para suas migrações anuais.
Hoje, consideramos a Via Láctea como nossa morada galáctica, onde o fomento do nascimento de estrelas e da morte estelar se desenrola em um grande palco, e onde se descobriu que diversos planetas orbitam todos os tipos de estrelas. Embora nossa perspectiva sobre a Via Láctea seja baseada em investigações científicas, compartilhamos com nossos antepassados a afinidade por contar histórias de origem e transformação. Nesse sentido, a Via Láctea continua nos fascinando e inspirando.
Conceitos principais e resumo
A Via Láctea consiste em um disco fino contendo poeira, gás e estrelas jovens e velhas; um halo esférico contendo populações de estrelas muito antigas, incluindo estrelas variáveis RR Lyrae e aglomerados estelares globulares; um disco espesso e mais difuso com estrelas que têm propriedades intermediárias entre as da fina disco e o halo; uma protuberância nuclear em forma de amendoim de estrelas principalmente antigas ao redor do centro; e um buraco negro supermassivo bem no centro. O Sol está localizado aproximadamente na metade da Via Láctea, a cerca de 26.000 anos-luz do centro.
Glossário
- halo de matéria escura
- a massa na Via Láctea que se estende muito além do limite das estrelas luminosas a uma distância de pelo menos 200.000 anos-luz do centro da Galáxia; embora deduzamos sua existência por sua gravidade, a composição dessa matéria permanece um mistério
- auréola
- a extensão mais externa da nossa galáxia (ou outra galáxia), contendo uma distribuição esparsa de estrelas e aglomerados globulares em uma distribuição mais ou menos esférica
- Galáxia Via Láctea
- a faixa de luz que circunda o céu, que se deve às muitas estrelas e nebulosas difusas situadas perto do plano da Via Láctea
- protuberância central
- (ou protuberância nuclear) a parte central (redonda) da Via Láctea ou de uma galáxia similar