26.2: Tipos de galáxias
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as propriedades e características de galáxias elípticas, espirais e irregulares
- Explique o que pode fazer com que a aparência de uma galáxia mude com o tempo
Tendo estabelecido a existência de outras galáxias, o Hubble e outras pessoas começaram a observá-las mais de perto — observando suas formas, seu conteúdo e tantas outras propriedades quanto pudessem medir. Essa foi uma tarefa assustadora na década de 1920, quando a obtenção de uma única fotografia ou espectro de uma galáxia poderia levar uma noite inteira de observação incansável. Hoje, telescópios maiores e detectores eletrônicos tornaram essa tarefa menos difícil, embora observar as galáxias mais distantes (aquelas que nos mostram o universo em suas fases iniciais) ainda exija um esforço enorme.
O primeiro passo para tentar entender um novo tipo de objeto geralmente é simplesmente descrevê-lo. Lembre-se de que o primeiro passo para entender os espectros estelares foi simplesmente classificá-los de acordo com a aparência (consulte Analisando a luz das estrelas). Ao que parece, as galáxias maiores e mais luminosas têm duas formas básicas: ou são mais planas e têm braços espirais, como a nossa própria galáxia, ou parecem ser elípticas (em forma de dirigível ou charuto). Muitas galáxias menores, em contraste, têm uma forma irregular.
Galáxias espirais
Nossa própria galáxia e a galáxia de Andrômeda são típicas galáxias espirais grandes (veja a Figura\(26.1.1\) na Seção 26.1). Eles consistem em uma protuberância central, uma auréola, um disco e braços em espiral. O material interestelar geralmente está espalhado pelos discos das galáxias espirais. Nebulosas de emissão brilhante e estrelas quentes e jovens estão presentes, especialmente nos braços espirais, mostrando que a formação de novas estrelas ainda está ocorrendo. Os discos geralmente estão empoeirados, o que é especialmente perceptível nos sistemas que vemos quase na borda (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Nas galáxias que vemos de frente, as estrelas brilhantes e as nebulosas de emissão fazem com que os braços das espirais se destaquem como os de um cata-vento no dia 4 de julho. Aglomerados estelares abertos podem ser vistos nos braços de espirais mais próximas, e aglomerados globulares são frequentemente visíveis em seus halos. As galáxias espirais contêm uma mistura de estrelas jovens e velhas, assim como a Via Láctea. Todas as espirais giram, e a direção de sua rotação é tal que os braços parecem se arrastar de forma muito parecida com a esteira de um barco.
Cerca de dois terços das galáxias espirais próximas têm barras quadradas ou em forma de amendoim passando por seus centros (Figura\(\PageIndex{2}\)). Mostrando grande originalidade, os astrônomos chamam essas galáxias de espirais barradas.
Como observamos no capítulo A Via Láctea, nossa galáxia também tem uma barra modesta (veja a Figura\(25.2.1\) na Seção 25.2). Os braços em espiral geralmente começam nas extremidades da barra. O fato de as barras serem tão comuns sugere que elas têm vida longa; pode ser que a maioria das galáxias espirais forme uma barra em algum momento durante sua evolução.
Tanto nas galáxias espirais barradas quanto nas não barradas, observamos uma variedade de formas diferentes. Em um extremo, a protuberância central é grande e luminosa, os braços são fracos e bem enrolados, e as nebulosas de emissão brilhante e as estrelas supergigantes são imperceptíveis. O Hubble, que desenvolveu um sistema de classificação de galáxias por forma, deu a essas galáxias a designação Sa. As galáxias neste extremo podem não ter uma estrutura clara do braço em espiral, resultando em uma aparência de lente (às vezes são chamadas de galáxias lenticulares). Essas galáxias parecem compartilhar tantas propriedades com galáxias elípticas quanto com galáxias espirais.
No outro extremo, a protuberância central é pequena e os braços estão frouxamente enrolados. Nessas galáxias Sc, estrelas luminosas e nebulosas de emissão são muito proeminentes. Nossa galáxia e a galáxia de Andrômeda são intermediárias entre os dois extremos. Fotografias de galáxias espirais, ilustrando os diferentes tipos, são mostradas na Figura\(\PageIndex{3}\), junto com galáxias elípticas para comparação.
As partes luminosas das galáxias espirais parecem variar em diâmetro de cerca de 20.000 a mais de 100.000 anos-luz. Estudos recentes descobriram que provavelmente existe uma grande quantidade de material galáctico que se estende muito além da borda aparente das galáxias. Esse material parece ser um gás fino e frio que é difícil de detectar na maioria das observações.
A partir dos dados observacionais disponíveis, estima-se que as massas das porções visíveis das galáxias espirais variem de 1 bilhão a 1 trilhão de sóis (\(10^9\)to\(10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)). As luminosidades totais da maioria das espirais estão na faixa de 100 milhões a 100 bilhões de vezes a luminosidade do nosso Sol (\(10^8\)to\(10^{11}\)\(L_{\text{Sun}}\)). Nosso Galaxy e o M31 são relativamente grandes e massivos, conforme as espirais. Também há considerável matéria escura dentro e ao redor das galáxias, assim como na Via Láctea; deduzimos sua presença a partir da rapidez com que as estrelas nas partes externas da galáxia estão se movendo em suas órbitas.
Galáxias elípticas
As galáxias elípticas consistem quase inteiramente de estrelas antigas e têm formas que são esferas ou elipsoides (esferas um pouco comprimidas) (Figura\(\PageIndex{4}\)). Eles não contêm nenhum vestígio de braços em espiral. Sua luz é dominada por estrelas avermelhadas mais antigas (as estrelas da população II discutidas na Via Láctea). Nos elípticos maiores próximos, muitos aglomerados globulares podem ser identificados. Nebulosas de poeira e emissão não são visíveis em galáxias elípticas, mas muitas contêm uma pequena quantidade de matéria interestelar.
As galáxias elípticas mostram vários graus de achatamento, desde sistemas que são aproximadamente esféricos até aqueles que se aproximam da planicidade das espirais. Os raros elípticos gigantes (por exemplo, ESO 325-G004 na Figura\(\PageIndex{4}\)) atingem luminosidades de\(10^{11}\)\(L_{\text{Sun}}\). A massa em um elíptico gigante pode ser tão grande quanto\(10^{13}\)\(M_{\text{Sun}}\). Os diâmetros dessas grandes galáxias se estendem por várias centenas de milhares de anos-luz e são consideravelmente maiores do que as maiores espirais. Embora estrelas individuais orbitem o centro de uma galáxia elíptica, as órbitas não estão todas na mesma direção, como ocorre nas espirais. Portanto, os elípticos não parecem girar de forma sistemática, tornando difícil estimar a quantidade de matéria escura que eles contêm.
Descobrimos que as galáxias elípticas variam desde os gigantes, que acabamos de descrever, até as anãs, que podem ser o tipo mais comum de galáxia. Os elípticos anões (às vezes chamados de esferoides anões) escaparam de nossa atenção por muito tempo porque são muito fracos e difíceis de ver. Um exemplo de elíptica anã é a galáxia esferoidal anã Leão I mostrada na Figura\(\PageIndex{5}\). A luminosidade dessa anã típica é quase igual à dos aglomerados globulares mais brilhantes.
Intermediários entre as galáxias elípticas gigantes e anãs estão sistemas como o M32 e o M110, os dois companheiros da galáxia de Andrômeda. Embora sejam frequentemente chamadas de elípticas anãs, essas galáxias são significativamente maiores do que galáxias como Leo I.
Galáxias irregulares
O Hubble classificou galáxias que não têm as formas regulares associadas às categorias que acabamos de descrever na caixa geral de uma galáxia irregular, e continuamos a usar seu termo. Normalmente, as galáxias irregulares têm massas e luminosidades mais baixas do que as galáxias espirais. Galáxias irregulares geralmente parecem desorganizadas e muitas estão passando por uma atividade de formação estelar relativamente intensa. Eles contêm estrelas jovens da população I e estrelas antigas da população II.
As duas galáxias irregulares mais conhecidas são a Grande Nuvem de Magalhães e a Pequena Nuvem de Magalhães (Figura\(\PageIndex{6}\)), que estão a uma distância de pouco mais de 160.000 anos-luz de distância e estão entre nossas vizinhas extragaláticas mais próximas. Seus nomes refletem o fato de que Ferdinand Magellan e sua tripulação, fazendo sua viagem ao redor do mundo, foram os primeiros viajantes europeus a notá-los. Embora não sejam visíveis nos Estados Unidos e na Europa, esses dois sistemas são proeminentes no hemisfério sul, onde parecem nuvens finas no céu noturno. Como estão a apenas cerca de um décimo da galáxia de Andrômeda, eles apresentam uma excelente oportunidade para os astrônomos estudarem nebulosas, aglomerados estelares, estrelas variáveis e outros objetos importantes no cenário de outra galáxia. Por exemplo, a Grande Nuvem de Magalhães contém o complexo 30 Doradus (também conhecido como Nebulosa da Tarântula), um dos maiores e mais luminosos grupos de estrelas supergigantes conhecidos em qualquer galáxia.
A Pequena Nuvem de Magalhães é consideravelmente menos massiva do que a Grande Nuvem de Magalhães e é seis vezes maior do que sua largura. Esse estreito fio de material aponta diretamente para nossa galáxia como uma flecha. A Pequena Nuvem de Magalhães foi provavelmente contorcida em sua forma atual por meio de interações gravitacionais com a Via Láctea. Um grande rastro de detritos dessa interação entre a Via Láctea e a Pequena Nuvem de Magalhães foi espalhado pelo céu e é visto como uma série de nuvens de gás se movendo a uma velocidade anormalmente alta, conhecida como Corrente de Magalhães. Veremos que esse tipo de interação entre galáxias ajudará a explicar as formas irregulares de toda essa categoria de pequenas galáxias.
Veja este lindo álbum mostrando os diferentes tipos de galáxias que foram fotografadas pelo Telescópio Espacial Hubble.
A evolução da galáxia
Encorajados pelo sucesso do diagrama H-R para estrelas (veja Analisando a Luz Estelar), os astrônomos que estudam galáxias esperavam encontrar algum tipo de esquema comparável, onde as diferenças na aparência poderiam estar ligadas a diferentes estágios evolutivos na vida das galáxias. Não seria bom se cada galáxia elíptica evoluísse em espiral, por exemplo, assim como toda estrela da sequência principal evolui para uma gigante vermelha? Várias ideias simples desse tipo foram testadas, algumas pelo próprio Hubble, mas nenhuma resistiu ao teste do tempo (e da observação).
Como nenhum esquema simples para transformar um tipo de galáxia em outro foi encontrado, os astrônomos então tenderam para o ponto de vista oposto. Por um tempo, a maioria dos astrônomos pensou que todas as galáxias se formaram muito cedo na história do universo e que as diferenças entre elas tinham a ver com a taxa de formação de estrelas. Elípticas eram aquelas galáxias nas quais toda a matéria interestelar foi convertida rapidamente em estrelas. As espirais eram galáxias nas quais a formação estelar ocorreu lentamente durante toda a vida útil da galáxia. Essa ideia também acabou sendo muito simples.
Hoje, entendemos que pelo menos algumas galáxias mudaram de tipo ao longo dos bilhões de anos desde o início do universo. Como veremos nos capítulos posteriores, colisões e fusões entre galáxias podem transformar dramaticamente galáxias espirais em galáxias elípticas. Mesmo espirais isoladas (sem galáxias vizinhas à vista) podem mudar sua aparência com o tempo. À medida que consomem seu gás, a taxa de formação estelar diminuirá e os braços espirais gradualmente se tornarão menos visíveis. Por longos períodos, as espirais, portanto, começam a se parecer mais com as galáxias no meio da Figura\(\PageIndex{3}\) (que os astrônomos chamam de tipos S0).
Nas últimas décadas, o estudo de como as galáxias evoluem ao longo da vida do universo tornou-se um dos campos mais ativos da pesquisa astronômica. Discutiremos a evolução das galáxias com mais detalhes em A evolução e distribuição das galáxias, mas primeiro vamos ver com mais detalhes como são as diferentes galáxias.
Resumo
A maioria das galáxias brilhantes são espirais ou elípticas. As galáxias espirais contêm estrelas velhas e jovens, bem como matéria interestelar, e têm massas típicas na faixa\(10^9\) de\(10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\) a. Nossa própria galáxia é uma grande espiral. Os elípticos são sistemas esferoidais ou ligeiramente alongados que consistem quase inteiramente de estrelas antigas, com muito pouca matéria interestelar. As galáxias elípticas variam em tamanho, desde gigantes, mais massivas do que qualquer espiral, até anãs, com massas de apenas cerca de\(10^6\)\(M_{\text{Sun}}\). As elípticas anãs são provavelmente o tipo mais comum de galáxia no universo próximo. Uma pequena porcentagem de galáxias com formas mais desorganizadas é classificada como irregular. As galáxias podem mudar sua aparência ao longo do tempo devido a colisões com outras galáxias ou por uma mudança na taxa de formação estelar.
Glossário
- galáxia elíptica
- uma galáxia cuja forma é uma elipse e que não contém material interestelar visível
- galáxia irregular
- uma galáxia sem qualquer simetria ou padrão claro; nem uma galáxia espiral nem elíptica
- galáxia espiral
- uma galáxia plana e giratória com braços em forma de cata-vento de material interestelar e estrelas jovens, saindo de seu bojo central