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25.E: A Via Láctea (exercícios)

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    Para uma exploração mais aprofundada

    Artigos

    Blitz, L. “O Lado Negro da Via Láctea”. Scientific American (outubro de 2011): 36—43. Como encontramos a matéria escura e o que ela nos diz sobre nossa galáxia, seu disco distorcido e suas galáxias satélites.

    Dvorak, J. “Viagem ao Coração da Via Láctea”. Astronomia (fevereiro de 2008): 28. Medindo estrelas próximas para determinar as propriedades do buraco negro no centro.

    Gallagher, J., Wyse, R. e Benjamin, R. “A Nova Via Láctea”. Astronomia (setembro de 2011): 26. Destaca todos os aspectos da Via Láctea com base em observações recentes.

    Goldstein, A. “Encontrando nosso lugar na Via Láctea”. Astronomia (agosto de 2015): 50. Sobre a história das observações que identificaram a localização do Sol na galáxia.

    Haggard, D., & Bower, G. “No coração da Via Láctea”. Sky & Telescope (fevereiro de 2016): 16. Sobre as observações do núcleo da galáxia e do buraco negro supermassivo e da estrela magnética lá.

    Ibata, R., & Gibson, B. “Os fantasmas das galáxias passadas”. Scientific American (abril de 2007): 40. Sobre fluxos de estrelas na galáxia que são evidências de fusões e colisões passadas.

    Irion, R. “Um fim esmagador para nossa galáxia”. Ciência (7 de janeiro de 2000): 62. Sobre o papel das fusões na evolução da Via Láctea.

    Irion, R. “Visitando os buracos negros”. Smithsonian (abril de 2008). Sobre como os astrônomos investigam o grande buraco negro no centro da Via Láctea.

    Kruesi, L. “Como mapeamos a Via Láctea”. Astronomia (outubro de 2009): 28.

    Kruesi, L. “O que se esconde no coração monstruoso da Via Láctea?” Astronomia (outubro de 2015): 30. No centro da galáxia e ali no buraco negro.

    Laughlin, G., & Adams, F. “Celebrando o Milênio Galáctico”. Astronomia (novembro de 2001): 39. O futuro a longo prazo da Via Láctea nos próximos 90 bilhões de anos.

    Loeb, A., e Cox, T.J. “O encontro de nossa galáxia com a destruição”. Astronomia (junho de 2008): 28. Descreve a próxima fusão da Via Láctea e da Andromeda.

    Szpir, M. “Passando no exame da Ordem dos Advogados”. Astronomia (março de 1999): 46. Uma evidência de que nossa galáxia é uma espiral barrada.

    Tanner, A. “Uma viagem ao Centro Galáctico”. Sky & Telescope (abril de 2003): 44. Boa introdução, com observações apontando para a presença de um buraco negro.

    Trimble, V., e Parker, S. “Conheça a Via Láctea”. Sky & Telescope (janeiro de 1995): 26. Visão geral da nossa galáxia.

    Wakker, B., & Richter, P. “Nossa galáxia que respira em crescimento”. Scientific American (janeiro de 2004): 38. Evidências de que nossa galáxia ainda está sendo construída pela adição de gás e vizinhos menores.

    Waller, W. “Redesenhando a Via Láctea”. Sky & Telescope (setembro de 2004): 50. Em pesquisas recentes de vários comprimentos de onda da Galáxia.

    Whitt, K. “A Via Láctea vista de dentro”. Astronomia (novembro de 2001): 58. Imagem panorâmica fantástica da galáxia, com gráficos e explicações.

    Websites

    Santuários internacionais do céu escuro: http://darksky.org/idsp/sanctuaries/. Uma lista de santuários, parques e reservas de céu escuro.

    Via Láctea de vários comprimentos de onda: http://mwmw.gsfc.nasa.gov/mmw_sci.html. Este site da NASA mostra o plano de nossa galáxia em uma variedade de bandas de comprimento de onda e inclui material de fundo e outros recursos.

    Debate de Shapley-Curtis em 1920: apod.nasa.gov/diamond_jubilee/debate_1920.html. Em 1920, os astrônomos Harlow Shapley e Heber Curtis se envolveram em um debate histórico sobre o tamanho da nossa galáxia e se existiam outras galáxias. Aqui você encontra material histórico e educacional sobre o debate.

    Grupo de Centros Galácticos da UCLA: http://www.galacticcenter.astro.ucla.edu/. Saiba mais sobre o trabalho de Andrea Ghez e colegas na região central da Via Láctea.

    Vídeos

    Crash of the Titans: http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast55a/. Este Hubblecast de 2012 apresenta Jay Anderson e Roeland van der Marel explicando como Andrômeda colidirá com a Via Láctea em um futuro distante (5:07).

    Jantar no Centro da Galáxia: https://www.youtube.com/watch?v=UP7ig8Gxftw. Uma breve discussão do NASA ScienceCast sobre observações da NuStar sobre explosões do buraco negro central de nossa galáxia (3:23).

    Hunt for a Supermassive Black Hole: https://www.ted.com/talks/andrea_ghe...ive_black_hole. Palestra TED de 2009 de Andrea Ghez sobre a busca por buracos negros supermassivos, particularmente aquele no centro da Via Láctea (16:19).

    Viagem ao Centro Galáctico: https://www.youtube.com/watch?v=36xZsgZ0oSo. Uma breve viagem silenciosa ao aglomerado de estrelas perto do centro galáctico mostrando seus movimentos ao redor do centro (3:00).

    Atividades colaborativas em grupo

    1. Você é capturado por alienígenas espaciais, que o levam para dentro de uma nuvem complexa de gás interestelar, poeira e algumas estrelas recém-formadas. Para escapar, você precisa fazer um mapa da nuvem. Felizmente, os alienígenas têm um observatório astronômico completo com equipamento para medir todas as bandas do espectro eletromagnético. Usando o que você aprendeu neste capítulo, peça ao seu grupo que discuta quais tipos de mapas você faria da nuvem para traçar sua rota de fuga mais eficaz.
    2. O diagrama que Herschel fez da Via Láctea tem um limite externo muito irregular (veja a Figura\(25.1.2\) na Seção 25.1). Seu grupo consegue pensar em uma razão para isso? Como Herschel construiu seu mapa?
    3. Suponha que, para o exame final deste curso, seu grupo receba tempo de telescópio para observar uma estrela selecionada para você pelo seu professor. O professor informa a posição da estrela no céu (sua ascensão e declinação retas), mas nada mais. Você pode fazer qualquer observação que desejar. Como você determinaria se a estrela é membro da população I ou da população II?
    4. A existência da matéria escura é uma grande surpresa, e sua natureza permanece um mistério hoje. Algum dia os astrônomos saberão muito mais sobre isso (você pode aprender mais sobre as descobertas atuais em The Evolution and Distribution of Galaxies). Seu grupo pode fazer uma lista de observações astronômicas anteriores que começaram como uma surpresa e um mistério, mas acabaram (com mais observações) como partes bem compreendidas de livros didáticos introdutórios?
    5. O físico Gregory Benford escreveu uma série de romances de ficção científica que acontecerão perto do centro da Via Láctea em um futuro distante. Suponha que seu grupo estivesse escrevendo essa história. Faça uma lista de maneiras pelas quais o ambiente próximo ao centro galáctico difere do ambiente nos “subúrbios galácticos”, onde o Sol está localizado. A vida como a conhecemos teria mais facilidade ou dificuldade em sobreviver em planetas que orbitam estrelas próximas ao centro (e por quê)?
    6. Atualmente, na maioria das áreas urbanas, as luzes da cidade inundam completamente a luz tênue da Via Láctea em nossos céus. Peça a cada membro do seu grupo que faça uma pesquisa de 5 a 10 amigos ou parentes (você pode se espalhar pelo campus para investigar ou usar as redes sociais ou o telefone), explicando o que é a Via Láctea e depois perguntando se eles a viram. Também pergunte a idade deles. Relate seu grupo e discuta suas reações à pesquisa. Existe alguma relação entre a idade de uma pessoa e se ela já viu a Via Láctea? Quão importante é que muitas crianças que crescem na Terra hoje nunca (ou raramente) possam ver nossa galáxia natal no céu?

    Perguntas de revisão

    1. Explique por que vemos a Via Láctea como uma fraca faixa de luz que se estende pelo céu.
    2. Explique onde em uma galáxia espiral você esperaria encontrar aglomerados globulares, nuvens moleculares e hidrogênio atômico.
    3. Descreva várias características que distinguem as estrelas da população I das estrelas da população II.
    4. Descreva resumidamente as partes principais da nossa galáxia.
    5. Descreva as evidências que indicam que um buraco negro pode estar no centro da nossa galáxia.
    6. Explique por que a abundância de elementos pesados nas estrelas se correlaciona com suas posições na galáxia.
    7. Qual será o futuro a longo prazo da nossa galáxia?

    Perguntas de reflexão

    1. Suponha que a Via Láctea fosse uma faixa de luz que se estendia apenas pela metade do céu (ou seja, em um semicírculo). O que, então, você concluiria sobre a localização do Sol na Galáxia? Dê seu raciocínio.
    2. Suponha que alguém propusesse que, em vez de invocar a matéria escura para explicar o aumento das velocidades orbitais das estrelas além da órbita do Sol, o problema poderia ser resolvido assumindo que o buraco negro central da Via Láctea era muito mais massivo. O simples aumento da massa presumida do buraco negro supermassivo central da Via Láctea resolve corretamente o problema das velocidades orbitais inesperadamente altas na Galáxia? Por que ou por que não?
    3. Os aglomerados globulares giram em torno da galáxia em órbitas altamente elípticas. Onde você esperaria que os clusters passassem a maior parte do tempo? (Pense nas leis de Kepler.) A qualquer momento, você esperaria que a maioria dos aglomerados globulares estivesse se movendo em altas ou baixas velocidades em relação ao centro da galáxia? Por quê?
    4. Shapley usou as posições dos aglomerados globulares para determinar a localização do centro galáctico. Ele poderia ter usado aglomerados abertos? Por que ou por que não?
    5. Considere os seguintes cinco tipos de objetos: aglomerado aberto, nuvem molecular gigante, aglomerado globular, grupo de estrelas O e B e nebulosas planetárias.
      1. Que ocorrem somente em braços em espiral?
      2. Que ocorrem apenas em partes da galáxia que não sejam os braços espirais?
      3. Quais são considerados muito jovens?
      4. Quais são considerados muito antigos?
      5. Quais têm as estrelas mais quentes?
    6. A galáxia anã em Sagitário é a mais próxima da Via Láctea, mas foi descoberta apenas em 1994. Você consegue pensar em uma razão pela qual ela não foi descoberta antes? (Dica: pense no que mais está em sua constelação.)
    7. Suponha que três estrelas estejam no disco da Galáxia a distâncias de 20.000 anos-luz, 25.000 anos-luz e 30.000 anos-luz do centro galáctico, e suponha que agora todas as três estejam alinhadas de tal forma que seja possível traçar uma linha reta através delas e chegar ao centro da galáxia. Como as posições relativas dessas três estrelas mudarão com o tempo? Suponha que suas órbitas sejam todas circulares e estejam no plano do disco.
    8. Por que a formação de estrelas ocorre principalmente no disco da galáxia?
    9. Onde na galáxia você esperaria encontrar supernovas do Tipo II, que são as explosões de estrelas massivas que passam suas vidas muito rapidamente? Onde você esperaria encontrar supernovas do Tipo I, que envolvem explosões de anãs brancas?
    10. Suponha que as estrelas evoluíram sem perder massa — que uma vez que a matéria foi incorporada a uma estrela, ela permaneceu lá para sempre. Como a aparência da galáxia seria diferente da que ela é agora? Haveria estrelas da população I e da população II? Que outras diferenças existiriam?

    Descobrindo por si mesmo

    1. Suponha que o Sol orbita o centro da galáxia a uma velocidade de 220 km/s e a uma distância de 26.000 anos-luz do centro.
      1. Calcule a circunferência da órbita do Sol, assumindo que ela seja aproximadamente circular. (Lembre-se de que a circunferência de uma circunferência é dada por 2π R, onde R é o raio da circunferência. Certifique-se de usar unidades consistentes. A conversão de anos-luz para km/s pode ser encontrada em uma calculadora ou apêndice on-line, ou você mesmo pode calculá-la: a velocidade da luz é de 300.000 km/s e você pode determinar o número de segundos em um ano.)
      2. Calcule o período do Sol, o “ano galáctico”. Novamente, tenha cuidado com as unidades. Ele concorda com o número que fornecemos acima?
    2. O Sol orbita o centro da galáxia em 225 milhões de anos a uma distância de 26.000 anos-luz. Dado que\[a^3= \left( M_1 + M_2 \right) \times P^2 \nonumber\], onde\(a\) está o semi-eixo maior e\(P\) o período orbital, qual é a massa da galáxia dentro da órbita do Sol?
    3. Suponha que o Sol orbitasse um pouco mais longe, mas a massa da galáxia dentro de sua órbita permaneceu a mesma que calculamos no Exercício 2 para descobrir por si mesmo. Qual seria seu período a uma distância de 30.000 anos-luz?
    4. Dissemos que a galáxia gira diferencialmente; ou seja, as estrelas nas partes internas completam uma órbita completa de 360° ao redor do centro da galáxia mais rapidamente do que as estrelas mais distantes. Use a terceira lei de Kepler e a massa que derivamos no Exercício 2 para calcular o período de uma estrela que está a apenas 5000 anos-luz do centro. Agora faça o mesmo cálculo para um aglomerado globular a uma distância de 50.000 anos-luz. Suponha que o Sol, essa estrela e o aglomerado globular caiam em linha reta através do centro da galáxia. Onde eles estarão em relação um ao outro depois que o Sol completar uma jornada completa ao redor do centro da galáxia? (Suponha que toda a massa da galáxia esteja concentrada em seu centro.)
    5. Se nosso sistema solar tem 4,6 bilhões de anos, quantos anos galácticos o planeta Terra existe?
    6. Suponha que a massa média de uma estrela na galáxia seja um terço da massa solar. Use o valor da massa da galáxia que calculamos no Exercício 2 para descobrir por si mesmo e estime quantas estrelas existem na Via Láctea. Dê algumas razões, é razoável supor que a massa de uma estrela média seja menor que a massa do Sol.
    7. A primeira pista de que a galáxia contém muita matéria escura foi a observação de que as velocidades orbitais das estrelas não diminuíram com o aumento da distância do centro da galáxia. Construa uma curva de rotação para o sistema solar usando as velocidades orbitais dos planetas, que podem ser encontradas no Apêndice F. Como essa curva difere da curva de rotação da galáxia? O que isso diz sobre onde a maior parte da massa do sistema solar está concentrada?
    8. A melhor evidência de um buraco negro no centro da galáxia também vem da aplicação da terceira lei de Kepler. Suponha que uma estrela a uma distância de 20 horas-luz do centro da galáxia tenha uma velocidade orbital de 6200 km/s. Quanta massa deve estar localizada dentro de sua órbita?
    9. O próximo passo para decidir se o objeto no Exercício 8 para descobrir por si mesmo é um buraco negro é estimar a densidade dessa massa. Suponha que toda a massa esteja espalhada uniformemente por uma esfera com um raio de 20 horas-luz. Qual é a densidade em kg/km 3? (Lembre-se de que o volume de uma esfera é dado por\(V= \frac{4}{3} \pi R^3 \).) Explique por que a densidade pode ser ainda maior do que o valor que você calculou. Como essa densidade se compara à do Sol ou de outros objetos sobre os quais falamos neste livro?
    10. Suponha que a galáxia anã de Sagitário se funda completamente com a Via Láctea e adicione 150.000 estrelas a ela. Estime a variação percentual na massa da Via Láctea. Essa massa será suficiente para afetar a órbita do Sol em torno do centro galáctico? Suponha que todas as estrelas da galáxia Sagitário acabem na protuberância nuclear da Via Láctea e explique sua resposta.