25.6: A formação da galáxia

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva os papéis desempenhados pelo colapso de uma única nuvem e pela fusão com outras galáxias na construção da Via Láctea que vemos hoje
• Forneça exemplos de aglomerados globulares e galáxias satélites afetados pela forte gravidade da Via Láctea.

Informações sobre populações estelares contêm pistas vitais de como nossa galáxia foi construída ao longo do tempo. A forma achatada do disco da Galáxia sugere que ela se formou por meio de um processo semelhante ao que leva à formação de uma protoestrela (veja O Nascimento das Estrelas e a Descoberta de Planetas fora do Sistema Solar). Com base nessa ideia, os astrônomos primeiro desenvolveram modelos que presumiram que a galáxia se formou a partir de uma única nuvem giratória. Mas, como veremos, isso acaba sendo apenas parte da história.

A nuvem protogaláctica e o modelo de colapso monolítico

Como as estrelas mais antigas - aquelas no halo e nos aglomerados globulares - estão distribuídas em uma esfera centrada no núcleo da galáxia, faz sentido supor que a nuvem protogaláctica que deu origem à nossa galáxia era aproximadamente esférica. As estrelas mais antigas do halo têm idades de 12 a 13 bilhões de anos, então estimamos que a formação da galáxia começou há muito tempo. (Veja o capítulo sobre O Big Bang para outras evidências de que as galáxias em geral começaram a se formar há pouco mais de 13 bilhões de anos.) Então, assim como no caso da formação estelar, a nuvem protogaláctica entrou em colapso e formou um fino disco giratório. Estrelas nascidas antes do colapso da nuvem não participaram do colapso, mas continuaram a orbitar no halo até os dias atuais (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Modelo de colapso\(\PageIndex{1}\) monolítico para a formação da galáxia. De acordo com esse modelo, a Via Láctea se formou inicialmente a partir de uma nuvem rotativa de gás que entrou em colapso devido à gravidade. Estrelas de halo e aglomerados globulares se formaram antes do colapso ou foram formados em outros lugares. As estrelas no disco se formaram mais tarde, quando o gás do qual elas foram feitas já estava “contaminado” com elementos pesados produzidos em gerações anteriores de estrelas.

As forças gravitacionais fizeram com que o gás no disco fino se fragmentasse em nuvens ou aglomerados com massas como as dos aglomerados estelares. Essas nuvens individuais então se fragmentaram ainda mais para formar estrelas. Como as estrelas mais antigas do disco são quase tão antigas quanto as estrelas mais jovens do halo, o colapso deve ter sido rápido (astronomicamente falando), talvez não exigindo mais do que algumas centenas de milhões de anos.

Vítimas de colisão e o modelo de fusão múltipla

Nas últimas décadas, os astrônomos aprenderam que a evolução da galáxia não foi tão pacífica quanto sugere esse modelo de colapso monolítico. Em 1994, astrônomos descobriram uma pequena galáxia nova na direção da constelação de Sagitário. A galáxia anã de Sagitário está atualmente a cerca de 70.000 anos-luz de distância da Terra e 50.000 anos-luz do centro da galáxia. É a galáxia mais próxima conhecida (Figura\(\PageIndex{2}\)). É muito alongado e seu formato indica que está sendo dilacerado pelas marés gravitacionais da nossa galáxia — assim como o cometa Shoemaker-Levy 9 foi dilacerado quando passou muito perto de Júpiter em 1992.

A galáxia de Sagitário é muito menor que a Via Láctea, com apenas cerca de 150.000 estrelas, todas as quais parecem destinadas a acabar no bojo e no halo de nossa própria galáxia. Mas ainda não toque os sinos fúnebres da pequena galáxia; a ingestão da anã de Sagitário levará mais ou menos 100 milhões de anos, e as próprias estrelas sobreviverão.

Figura\(\PageIndex{2}\) Sagittarius Dwarf. Em 1994, astrônomos britânicos descobriram uma galáxia na constelação de Sagitário, localizada a apenas cerca de 50.000 anos-luz do centro da Via Láctea e caindo em nossa galáxia. Esta imagem cobre uma região de aproximadamente 70° × 50° e combina uma visão em preto e branco do disco de nossa galáxia com um mapa de contorno vermelho mostrando o brilho da galáxia anã. A galáxia anã fica do outro lado do centro galáctico de nós. As estrelas brancas na região vermelha marcam a localização de vários aglomerados globulares contidos na galáxia anã de Sagitário. A cruz marca o centro galáctico. A linha horizontal corresponde ao plano galáctico. O contorno azul em ambos os lados do plano galáctico corresponde à imagem infravermelha na Figura\(25.1.6\) na Seção 25.1. As caixas marcam regiões onde estudos detalhados de estrelas individuais levaram à descoberta dessa galáxia.

Desde essa descoberta, foram encontradas evidências de muitos outros encontros próximos entre nossa galáxia e outras galáxias vizinhas. Quando uma pequena galáxia se aventura muito perto, a força da gravidade exercida por nossa galáxia puxa com mais força para o lado próximo do que para o outro. O efeito final é que as estrelas que originalmente pertenciam à pequena galáxia estão espalhadas em um longo fluxo que orbita através do halo da Via Láctea (Figura\(\PageIndex{3}\)).

\(\PageIndex{3}\)Fluxos de figuras no halo galáctico. Quando uma pequena galáxia é engolida pela Via Láctea, suas estrelas membros são removidas e formam fluxos de estrelas no halo galáctico. Esta imagem é baseada em cálculos de como algumas dessas correntes de maré poderiam parecer se a Via Láctea engolisse 50 galáxias anãs nos últimos 10 bilhões de anos.

Essa corrente de maré pode manter sua identidade por bilhões de anos. Até o momento, os astrônomos já identificaram riachos originários de 12 pequenas galáxias que se aventuraram muito perto da muito maior Via Láctea. Mais seis riachos estão associados a aglomerados globulares. Foi sugerido que grandes aglomerados globulares, como Omega Centauri, são na verdade núcleos densos de galáxias anãs canibalizadas. Acredita-se agora que o enxame globular M54 seja o núcleo da anã de Sagitário que discutimos anteriormente, que atualmente está se fundindo com a Via Láctea (Figura\(\PageIndex{4}\)). As estrelas nas regiões externas dessas galáxias são removidas pela atração gravitacional da Via Láctea, mas as regiões centrais densas podem sobreviver.

Figura\(\PageIndex{4}\) Aglomerado Globular M54. Esta bela imagem do Telescópio Espacial Hubble mostra o aglomerado globular que agora se acredita ser o núcleo da galáxia anã de Sagitário.

Os cálculos indicam que o disco espesso da galáxia pode ser um produto de uma ou mais colisões desse tipo com outras galáxias. O acréscimo de uma galáxia satélite agitaria as órbitas das estrelas e das nuvens de gás originalmente no disco fino e faria com que elas se movessem mais acima e abaixo do plano médio da galáxia. Enquanto isso, as estrelas do Galaxy aumentariam a mistura fofa. Se tal colisão acontecesse há cerca de 10 bilhões de anos, qualquer gás nas duas galáxias que ainda não tivesse se formado em estrelas teria tido tempo de sobra para se estabelecer novamente no disco fino. O gás poderia então ter começado a formar gerações subsequentes de estrelas da população I. Esse tempo também é consistente com a idade típica das estrelas no disco espesso.

A Via Láctea tem mais colisões na loja. Um exemplo é a galáxia anã Canis Major, que tem uma massa de cerca de 1% da massa da Via Láctea. Já foram retiradas longas caudas de maré desta galáxia, que se envolveu três vezes na Via Láctea. Vários dos aglomerados globulares encontrados na Via Láctea também podem ter vindo da anã Canis Major, que deve se fundir gradualmente com a Via Láctea ao longo dos próximos bilhões de anos.

Em cerca de 3 bilhões de anos, a própria Via Láctea será engolida, já que ela e a galáxia de Andrômeda estão em rota de colisão. Nossos modelos de computador mostram que após uma interação complexa, os dois se fundirão para formar uma galáxia maior e mais arredondada (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\) Colisão da Via Láctea com Andrômeda. Em cerca de 3 bilhões de anos, a Via Láctea e a Galáxia de Andrômeda iniciarão um longo processo de colisão, separação e, em seguida, voltar a se unir para formar uma galáxia elíptica. Toda a interação levará de 3 a 4 bilhões de anos. Essas imagens mostram a seguinte sequência: (1) Em 3,75 bilhões de anos, Andrômeda se aproximou da Via Láctea. (2) A formação de novas estrelas preenche o céu daqui a 3,85 bilhões de anos. (3) A formação de estrelas continua em 3,9 bilhões de anos. (4) As formas das galáxias mudam à medida que interagem, com Andrômeda sendo esticada e nossa Galáxia se deformando, daqui a cerca de 4 bilhões de anos. (5) Em 5,1 bilhões de anos, os núcleos das duas galáxias são lóbulos brilhantes. (6) Em 7 bilhões de anos, as galáxias fundidas formam uma enorme galáxia elíptica cujo brilho preenche o céu noturno. As ilustrações deste artista mostram eventos de um ponto de vista a 25.000 anos-luz do centro da Via Láctea. No entanto, devemos mencionar que o Sol pode não estar a essa distância ao longo da sequência de eventos, pois a colisão reajusta as órbitas de muitas estrelas dentro de cada galáxia.

Assim, estamos percebendo que as “influências ambientais” (e não apenas as características originais de uma galáxia) desempenham um papel importante na determinação das propriedades e no desenvolvimento de nossa galáxia. Nos próximos capítulos, veremos que colisões e fusões também são um fator importante na evolução de muitas outras galáxias.

Resumo

A galáxia começou a se formar há pouco mais de 13 bilhões de anos. Modelos sugerem que as estrelas no halo e nos aglomerados globulares se formaram primeiro, enquanto a galáxia era esférica. O gás, um pouco enriquecido em elementos pesados pela primeira geração de estrelas, então colapsou de uma distribuição esférica para uma distribuição rotativa em forma de disco. Estrelas ainda estão se formando hoje a partir do gás e da poeira que permanecem no disco. A formação de estrelas ocorre mais rapidamente nos braços espirais, onde a densidade da matéria interestelar é maior. A galáxia capturou (e ainda está capturando) estrelas e aglomerados globulares adicionais de pequenas galáxias que se aventuraram muito perto da Via Láctea. Em 3 a 4 bilhões de anos, a galáxia começará a colidir com a galáxia de Andrômeda e, após cerca de 7 bilhões de anos, as duas galáxias se fundirão para formar uma galáxia elíptica gigante.