25.2: Estrutura em espiral

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva a estrutura da Via Láctea e como os astrônomos a descobriram
• Compare modelos teóricos para a formação de braços espirais em galáxias de disco

Os astrônomos conseguiram 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 poeira no espaço). Lembre-se de que o efeito obscurecedor da poeira interestelar nos impede de ver estrelas a grandes distâncias no disco em comprimentos de onda visíveis. No entanto, ondas de rádio de 21 cm de comprimento de onda passam diretamente pela poeira, permitindo que os astrônomos detectem átomos de hidrogênio em toda a galáxia. Pesquisas mais recentes sobre a emissão de infravermelho das estrelas no disco forneceram uma perspectiva semelhante, livre de poeira, da distribuição estelar da nossa galáxia. Apesar de todo esse progresso nos últimos cinquenta anos, ainda estamos apenas começando a definir a estrutura precisa de nossa galáxia.

Os braços da Via Láctea

Nossas observações de rádio do componente gasoso do disco indicam que a galáxia tem dois grandes braços espirais que emergem da barra e vários braços mais fracos e esporas mais curtas. Você pode ver um mapa recém-montado da estrutura do braço da nossa galáxia — derivado de estudos no infravermelho — na Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura Barra e Braços da\(\PageIndex{1}\) Via Láctea. Aqui, vemos a Via Láctea como ela pareceria de cima. Essa imagem, reunida a partir de dados da missão WISE da NASA, mostra que a Via Láctea tem uma barra modesta em suas regiões centrais. Dois braços em espiral, Scutum-Centaurus e Perseu, emergem das pontas da barra e envolvem a protuberância. Os braços Sagitário e Exterior têm menos estrelas do que os outros dois braços.

O Sol está próximo da borda interna de um braço curto chamado Esporão de Orion, que tem cerca de 10.000 anos-luz de comprimento e contém características tão visíveis como a Fenda de Cygnus (a grande nebulosa escura da Via Láctea de verão) e a brilhante Nebulosa de Orion. \(\PageIndex{2}\)A figura mostra alguns outros objetos que compartilham esta pequena seção da galáxia conosco e são fáceis de ver. Lembre-se de que, quanto mais longe tentamos olhar de nosso próprio braço, mais a poeira na galáxia se acumula e dificulta a visualização com a luz visível.

Figura\(\PageIndex{2}\) Orion Spur. O Sol está localizado no Orion Spur, que é um pequeno braço espiral localizado entre dois outros braços. Neste diagrama, as linhas brancas apontam para alguns outros objetos notáveis que compartilham essa característica da Via Láctea com o Sol.

Formação da estrutura em espiral

À distância do Sol de seu centro, o Galaxy não gira como uma roda sólida ou um CD dentro do aparelho. Em vez disso, a forma como objetos individuais giram em torno 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 demoram mais 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 Galáxia ficam atrás daquelas em órbitas menores. Esse efeito é chamado de rotação galáctica diferencial.

A rotação diferencial parece explicar por que tanto do material no disco da Via Láctea está concentrado em características alongadas que lembram braços em espiral. Não importa qual seja a distribuição original do material, a rotação diferencial da galáxia pode esticá-la em espiral. A figura\(\PageIndex{3}\) mostra o desenvolvimento de braços espirais a partir de duas bolhas irregulares de matéria interestelar. Observe que, à medida que as porções das bolhas mais próximas do centro galáctico se movem mais rápido, as mais distantes ficam para trás.

Figura\(\PageIndex{3}\): Modelo simplificado para a formação de braços em espiral. Este esboço mostra como braços espirais podem se formar a partir de nuvens irregulares de material interestelar estendidas pelas diferentes taxas de rotação em toda a galáxia. As regiões mais distantes do centro galáctico demoram mais para completar suas órbitas e, portanto, ficam atrás das regiões internas. Se esse fosse o único mecanismo para criar braços em espiral, com o tempo, os braços espirais se enrolariam completamente e desapareceriam. Como muitas galáxias têm braços espirais, elas devem ter vida longa e devem haver outros processos em ação para mantê-las.

Mas essa imagem de braços em espiral apresenta aos astrônomos um problema imediato. Se isso fosse tudo o que havia na história, a rotação diferencial — ao longo dos cerca de 13 bilhões de anos de história da Galáxia — teria ferido os braços da Galáxia cada vez mais apertados até que toda a aparência de estrutura espiral tivesse desaparecido. Mas a Via Láctea realmente tinha braços em espiral quando se formou há 13 bilhões de anos? E os braços em espiral, 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 logo após começarem a se formar, há mais de 13 bilhões de anos. O que as observações mostram é que as galáxias em sua infância tinham regiões de formação estelar brilhantes e aglomeradas, mas nenhuma estrutura espiral regular.

Nos próximos bilhões de anos, as galáxias começaram a “se estabelecer”. As galáxias que se tornariam espirais perderam seus enormes aglomerados e desenvolveram uma protuberância central. A turbulência nessas 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 aglomerados formadores de estrelas começaram a formar braços espirais difusos e não muito distintos. Braços espirais brilhantes e bem definidos começaram a aparecer somente quando as galáxias tinham cerca de 3,6 bilhões de anos. Inicialmente, havia dois braços bem definidos. Estruturas multiarmadas em galáxias, como vemos na Via Láctea, surgiram apenas 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 com nossa breve discussão, você pode ter a sensação de que as estruturas espirais que observamos agora em galáxias maduras surgiram mais tarde na história completa de como as coisas se desenvolvem no universo.

Cientistas usaram cálculos de supercomputador para modelar a formação e a evolução dos braços. Esses cálculos seguem os movimentos de até 100 milhões de “partículas estelares” para ver se as forças gravitacionais podem fazer com que elas formem uma estrutura espiral. O que esses cálculos mostram é que nuvens moleculares gigantes (que discutimos em Entre as estrelas: gás e poeira no espaço) têm influência gravitacional suficiente sobre seus arredores para iniciar a formação de estruturas que parecem braços espirais. Esses braços então se autoperpetuam e podem sobreviver por pelo menos vários bilhões de anos. Os braços podem mudar de brilho com o tempo à medida que a formação estelar vai e vem, mas não são características temporárias. A concentração de matéria nos braços exerce força gravitacional suficiente para mantê-los juntos por longos períodos de tempo.

Conceitos principais e resumo

A distribuição gasosa no disco da Galáxia tem dois braços espirais principais que emergem das extremidades da barra central, junto com vários braços mais fracos e esporas curtas; o Sol está localizado em uma dessas esporas. As medições mostram que a galáxia não gira como um corpo sólido, mas, em vez disso, suas estrelas e gás seguem a 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 demoram vários bilhões de anos depois de começarem a se formar para desenvolver uma estrutura espiral.

Glossário

rotação galáctica diferencial

a ideia de que diferentes partes da galáxia giram em ritmos diferentes, já que as partes da galáxia seguem a terceira lei de Kepler: objetos mais distantes demoram mais para completar uma órbita completa ao redor do centro da galáxia

braço em espiral

uma região em forma de espiral, caracterizada por material interestelar relativamente denso e estrelas jovens, que é observada nos discos das galáxias espirais