28.1: Observações de galáxias distantes

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique como os astrônomos usam a luz para aprender sobre galáxias distantes há muito tempo
• Discuta as evidências que mostram que as primeiras estrelas se formaram quando o universo tinha menos de 10% de sua idade atual
• Descreva as principais diferenças observadas entre galáxias vistas no universo distante e primitivo e galáxias vistas no universo próximo hoje

Vamos começar explorando algumas técnicas que os astrônomos usam para estudar como as galáxias nascem e mudam ao longo do tempo cósmico. Suponha que você queira entender como os humanos adultos se tornaram do jeito que são. Se você fosse muito dedicado e paciente, poderia realmente observar uma amostra de bebês desde o nascimento, acompanhando-os até a infância, adolescência e até a idade adulta, e fazendo medidas básicas, como alturas, pesos e tamanhos proporcionais de diferentes partes do corpo, para entender como eles mudam com o tempo.

Infelizmente, não temos essa possibilidade de entender como as galáxias crescem e mudam com o tempo: em uma vida humana — ou mesmo ao longo de toda a história da civilização humana — galáxias individuais quase não mudam. Precisamos de outras ferramentas além de observar pacientemente galáxias individuais para estudar e entender essas mudanças longas e lentas.

No entanto, temos um recurso notável no estudo da evolução galáctica. Como vimos, o próprio universo é uma espécie de máquina do tempo que nos permite observar galáxias remotas como eram há muito tempo. Para as galáxias mais próximas, como a galáxia de Andrômeda, o tempo que a luz leva para chegar até nós é da ordem de algumas centenas de milhares a alguns milhões de anos. Normalmente, não há muitas mudanças em tempos tão curtos — estrelas individuais na galáxia podem nascer ou morrer, mas a estrutura geral e a aparência da galáxia permanecerão as mesmas. Mas observamos galáxias tão distantes que as vemos como estavam quando a luz as deixou, há mais de 10 bilhões de anos.

Ao observar objetos mais distantes, olhamos mais para trás, para uma época em que tanto as galáxias quanto o universo eram jovens (Figura\(\PageIndex{1}\)). É como receber cartas pelo correio de vários amigos distantes: quanto mais longe a amiga estava quando ela enviou a carta para você, mais tempo a carta deveria estar em trânsito e, portanto, quanto mais antiga a notícia chega na sua caixa de correio; você está aprendendo algo sobre a vida dela mais cedo do que quando você lê a carta.

Figura\(\PageIndex{1}\): Viagem astronômica no tempo. Esta imagem colorida de longa exposição, feita durante 70 órbitas da Terra com o Telescópio Espacial Hubble, mostra uma pequena área na direção da constelação do Escultor. O enorme aglomerado de galáxias chamado Abell 2744 aparece no primeiro plano desta imagem. Ele contém várias centenas de galáxias, e nós as vemos como eram há 3,5 bilhões de anos. A imensa gravidade em Abell 2744 atua como uma lente gravitacional (veja a caixa de recursos Astronomy Basics sobre Lente Gravitacional na Seção 28.3) para distorcer o espaço e iluminar e ampliar imagens de quase 3000 galáxias de fundo distantes. As galáxias mais distantes (muitas delas muito azuis) aparecem como apareciam há mais de 12 bilhões de anos, pouco depois do Big Bang. As galáxias azuis eram muito mais comuns naquela época anterior do que são hoje. Essas galáxias parecem azuis porque estão passando por uma formação estelar ativa e formando estrelas azuis quentes e brilhantes.

Se não conseguirmos detectar diretamente as mudanças ao longo do tempo em galáxias individuais porque elas acontecem muito lentamente, como então poderemos entender essas mudanças e as origens das galáxias? A solução é observar muitas galáxias em muitas distâncias cósmicas diferentes e, portanto, tempos de retrospectiva (até que ponto estamos vendo a galáxia no tempo). Se pudermos estudar mil galáxias “bebês” muito distantes quando o universo tinha 1 bilhão de anos, e outras mil galáxias “infantis” um pouco mais próximas quando tinha 2 bilhões de anos, e assim por diante até o atual universo de 13,8 bilhões de anos de galáxias “adultas” maduras perto de nós hoje, então talvez possamos juntos, uma imagem coerente de como todo o conjunto de galáxias evolui ao longo do tempo. Isso nos permite reconstruir a “história de vida” das galáxias desde o início do universo, mesmo que não possamos seguir uma única galáxia desde a infância até a velhice.

Felizmente, não faltam galáxias para estudar. Mantenha seu mindinho à distância de um braço: a parte do céu bloqueada pela unha contém cerca de um milhão de galáxias, espalhadas cada vez mais para trás no espaço e no tempo. Na verdade, o céu está cheio de galáxias, todas elas, exceto Andrômeda e as Nuvens de Magalhães, muito fracas para serem vistas a olho nu — mais de 100 bilhões de galáxias no universo observável, cada uma com cerca de 100 bilhões de estrelas.

Essa máquina do tempo cósmica, então, nos permite examinar o passado para responder perguntas fundamentais sobre de onde as galáxias vêm e como elas se tornaram do jeito que são hoje. Os astrônomos chamam essas mudanças galácticas sobre evolução do tempo cósmico, uma palavra que lembra o trabalho de Darwin e outros sobre o desenvolvimento da vida na Terra. Mas observe que a evolução de galáxias se refere às mudanças em galáxias individuais ao longo do tempo, enquanto o tipo de evolução que os biólogos estudam são as mudanças em gerações sucessivas de organismos vivos ao longo do tempo.

Espectros, cores e formas

A astronomia é uma das poucas ciências em que todas as medições devem ser feitas à distância. Geólogos podem coletar amostras dos objetos que estão estudando; químicos podem realizar experimentos em seus laboratórios para determinar do que uma substância é feita; arqueólogos podem usar a datação por carbono para determinar a idade de algo. Mas os astrônomos não conseguem captar e brincar com uma estrela ou galáxia. Como vimos ao longo deste livro, se eles quiserem saber do que as galáxias são feitas e como elas mudaram ao longo da vida do universo, eles devem decodificar as mensagens transportadas pelo pequeno número de fótons que chegam à Terra.

Felizmente (como você aprendeu) a radiação eletromagnética é uma fonte rica de informações. A distância até uma galáxia é derivada de seu desvio para o vermelho (o quanto as linhas em seu espectro são deslocadas para o vermelho por causa da expansão do universo). A conversão do desvio para o vermelho em uma distância depende de certas propriedades do universo, incluindo o valor da constante de Hubble e a quantidade de massa que ela contém. Descreveremos o modelo atualmente aceito do universo em The Big Bang. Para os fins deste capítulo, basta saber que a melhor estimativa atual para a idade do universo é de 13,8 bilhões de anos. Nesse caso, se virmos um objeto que emitiu sua luz há 6 bilhões de anos-luz, estamos vendo como era quando o universo tinha quase 8 bilhões de anos. Se vemos algo que emitiu sua luz há 13 bilhões de anos, estamos vendo como era quando o universo tinha menos de um bilhão de anos. Assim, os astrônomos medem o desvio para o vermelho de uma galáxia a partir de seu espectro, usam a constante de Hubble mais um modelo do universo para transformar o desvio para o vermelho em uma distância e usam a distância e a velocidade constante da luz para inferir até que ponto eles estão vendo a galáxia - o tempo de retrospectiva.

Além da distância e do tempo de retrospectiva, estudos dos desvios Doppler das linhas espectrais de uma galáxia podem nos dizer o quão rápido a galáxia está girando e, portanto, quão massiva ela é (conforme explicado em Galáxias). A análise detalhada dessas linhas também pode indicar os tipos de estrelas que habitam uma galáxia e se ela contém grandes quantidades de matéria interestelar.

Infelizmente, muitas galáxias são tão fracas que atualmente é impossível coletar luz suficiente para produzir um espectro detalhado. Portanto, os astrônomos precisam usar um guia muito mais aproximado para estimar quais tipos de estrelas habitam as galáxias mais fracas - suas cores gerais. Veja novamente a Figura\(\PageIndex{1}\) e observe que algumas das galáxias são muito azuis e outras são laranja-avermelhadas. Agora lembre-se de que estrelas azuis quentes e luminosas são muito massivas e têm vida útil de apenas alguns milhões de anos. Se vemos uma galáxia onde as cores azuis dominam, sabemos que ela deve ter muitas estrelas azuis quentes e luminosas, e que a formação de estrelas deve ter ocorrido alguns milhões de anos antes da luz deixar a galáxia. Em uma galáxia amarela ou vermelha, por outro lado, as estrelas azuis jovens e luminosas que certamente foram formadas nas primeiras explosões de formação estelar da galáxia já devem ter morrido; ela deve conter principalmente estrelas amarelas e vermelhas antigas que duram muito tempo em seus estágios de sequência principal e, portanto, normalmente se formaram bilhões de anos antes que a luz que vemos agora fosse emitida.

Outra pista importante sobre a natureza de uma galáxia é sua forma. As galáxias espirais podem ser diferenciadas das galáxias elípticas pela forma. As observações mostram que as galáxias espirais contêm estrelas jovens e grandes quantidades de matéria interestelar, enquanto as galáxias elípticas têm principalmente estrelas antigas e muito pouca ou nenhuma formação estelar. Galáxias elípticas transformaram a maior parte de sua matéria interestelar em estrelas há muitos bilhões de anos, enquanto a formação estelar continuou até os dias atuais em galáxias espirais.

Se pudermos contar o número de galáxias de cada tipo durante cada época do universo, isso nos ajudará a entender como o ritmo da formação estelar muda com o tempo. Como veremos mais adiante neste capítulo, as galáxias no universo distante — ou seja, galáxias jovens — parecem muito diferentes das galáxias mais antigas que vemos nas proximidades do universo atual.

A primeira geração de estrelas

Além de observar as galáxias mais distantes que podemos encontrar, os astrônomos examinam as estrelas mais antigas (o que podemos chamar de registro fóssil) de nossa própria galáxia para sondar o que aconteceu no universo primitivo. Como as estrelas são a fonte de quase toda a luz emitida pelas galáxias, podemos aprender muito sobre a evolução das galáxias estudando as estrelas dentro delas. O que descobrimos é que quase todas as galáxias contêm pelo menos algumas estrelas muito antigas. Por exemplo, nossa própria galáxia contém aglomerados globulares com estrelas com pelo menos 13 bilhões de anos, e alguns podem ser ainda mais antigos do que isso. Portanto, se contarmos a idade da Via Láctea como a idade de seus constituintes mais antigos, a Via Láctea deve ter nascido há pelo menos 13 bilhões de anos.

Como discutiremos em The Big Bang, os astrônomos descobriram que o universo está se expandindo e rastrearam a expansão para trás no tempo. Dessa forma, eles descobriram que o próprio universo tem apenas cerca de 13,8 bilhões de anos. Assim, parece que pelo menos algumas das estrelas do aglomerado globular na Via Láctea devem ter se formado menos de um bilhão de anos após o início da expansão.

Várias outras observações também estabelecem que a formação de estrelas no cosmos começou muito cedo. Os astrônomos usaram espectros para determinar a composição de algumas galáxias elípticas que estão tão distantes que a luz que vemos as deixou quando o universo tinha apenas metade da idade atual. No entanto, esses elípticos contêm estrelas vermelhas antigas, que ainda devem ter se formado bilhões de anos antes.

Quando fazemos modelos computacionais de como essas galáxias evoluem com o tempo, elas nos dizem que a formação de estrelas em galáxias elípticas começou menos de um bilhão de anos depois que o universo começou sua expansão, e novas estrelas continuaram a se formar por alguns bilhões de anos. Mas então a formação de estrelas aparentemente parou. Quando comparamos galáxias elípticas distantes com outras próximas, descobrimos que as elípticas não mudaram muito desde que o universo atingiu cerca de metade de sua idade atual. Voltaremos a essa ideia mais adiante neste capítulo.

As observações das galáxias mais luminosas nos levam ainda mais para trás no tempo. Recentemente, como já observamos, os astrônomos descobriram algumas galáxias que estão tão distantes que a luz que vemos agora as deixou menos de um bilhão de anos após o início (Figura\(\PageIndex{2}\)). No entanto, os espectros de algumas dessas galáxias já contêm linhas de elementos pesados, incluindo carbono, silício, alumínio e enxofre. Esses elementos não estavam presentes quando o universo começou, mas tinham que ser fabricados no interior das estrelas. Isso significa que quando a luz dessas galáxias foi emitida, uma geração inteira de estrelas já havia nascido, vivido suas vidas e morrido — expelindo os novos elementos criados em seu interior por meio de explosões de supernovas — mesmo antes de o universo completar um bilhão de anos. E não foram apenas algumas estrelas em cada galáxia que começaram dessa maneira. O suficiente tinha que viver e morrer para afetar a composição geral da galáxia, de uma forma que ainda podemos medir no espectro de longe.

Figura\(\PageIndex{2}\): Galáxia muito distante. Esta imagem foi feita com o Telescópio Espacial Hubble e mostra o campo ao redor de uma galáxia luminosa a um desvio para o vermelho z = 8,68, correspondendo a uma distância de cerca de 13,2 bilhões de anos-luz no momento em que a luz foi emitida (indicada pela seta e mostrada na inserção superior). Exposições longas nos comprimentos de onda do vermelho distante e do infravermelho foram combinadas para criar a imagem, e exposições adicionais ao infravermelho com o Telescópio Espacial Spitzer, que tem resolução espacial mais baixa do que o Hubble (inserção inferior), mostram a luz desviada para o vermelho de estrelas normais. A galáxia muito distante foi detectada porque tem uma forte linha de emissão de hidrogênio. Essa linha é produzida em regiões onde ocorre a formação de estrelas quentes e jovens.

Observações de quasares (galáxias cujos centros contêm um buraco negro supermassivo) apoiam essa conclusão. Podemos medir a abundância de elementos pesados no gás perto de buracos negros quasares (explicado em Galáxias ativas, quasares e buracos negros supermassivos). A composição desse gás nos quasares que emitiram sua luz há 12,5 bilhões de anos-luz é muito semelhante à do Sol. Isso significa que uma grande parte do gás ao redor dos buracos negros já deve ter percorrido as estrelas durante os primeiros 1,3 bilhão de anos após o início da expansão do universo. Se dermos tempo para esse ciclo, então suas primeiras estrelas devem ter se formado quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos.

Um universo de galáxias em mudança

Em meados da década do século XX, a observação de que todas as galáxias contêm algumas estrelas antigas levou os astrônomos à hipótese de que as galáxias nasceram totalmente formadas perto da época em que o universo começou sua expansão. Essa hipótese foi semelhante à sugestão de que os seres humanos nasceram adultos e não precisaram passar pelos vários estágios de desenvolvimento desde a infância até a adolescência. Se essa hipótese estivesse correta, as galáxias mais distantes deveriam ter formas e tamanhos muito parecidos com as galáxias que vemos nas proximidades. De acordo com essa visão antiga, as galáxias, depois de se formarem, deveriam mudar apenas lentamente, à medida que sucessivas gerações de estrelas dentro delas se formaram, evoluíram e morreram. À medida que a matéria interestelar se esgotava lentamente e se formavam menos estrelas novas, as galáxias gradualmente se tornavam dominadas por estrelas mais fracas e mais velhas e pareciam cada vez mais escuras.

Graças à nova geração de grandes telescópios terrestres e espaciais, agora sabemos que essa imagem de galáxias evoluindo pacificamente e isoladas umas das outras está completamente errada. Como veremos mais adiante neste capítulo, galáxias no universo distante não se parecem com a Via Láctea e galáxias próximas, como Andrômeda, e a história de seu desenvolvimento é mais complexa e envolve muito mais interação com seus vizinhos.

Por que os astrônomos estavam tão errados? Até o início da década de 1990, a galáxia normal mais distante que havia sido observada emitiu sua luz há 8 bilhões de anos. Desde aquela época, muitas galáxias — e particularmente as elípticas gigantes, que são as mais luminosas e, portanto, as mais fáceis de ver a grandes distâncias — evoluíram de forma pacífica e lenta. Mas o Hubble, o Spitzer, o Herschel, o Keck e outros novos telescópios poderosos que estão em operação desde a década de 1990 tornam possível atravessar a barreira dos 8 bilhões de anos-luz. Agora temos imagens detalhadas de muitos milhares de galáxias que emitiram sua luz muito antes (cerca de mais de 13 bilhões de anos atrás — veja a Figura\(\PageIndex{2}\)).

Grande parte do trabalho recente sobre a evolução das galáxias progrediu ao estudar algumas pequenas regiões específicas do céu onde os telescópios Hubble, Spitzer e terrestres obtiveram imagens de exposição extremamente longa. Isso permitiu aos astrônomos detectar galáxias muito fracas, muito distantes e, portanto, muito jovens (Figura\(\PageIndex{3}\)). Nossas imagens de telescópio espacial profundo mostram algumas galáxias que são 100 vezes mais fracas do que os objetos mais fracos que podem ser observados espectroscopicamente com os telescópios terrestres gigantes atuais. Isso significa que podemos obter os espectros necessários para determinar os desvios para o vermelho apenas para os cinco por cento mais brilhantes das galáxias nessas imagens.

Figura\(\PageIndex{3}\): Campo ultra-profundo do Hubble. Esta imagem é o resultado de uma observação de 11 dias com o Telescópio Espacial Hubble de uma pequena região do céu, localizada em direção à constelação de Fornax, perto do polo sul celeste. Esta é uma área que tem apenas um punhado de estrelas da Via Láctea. (Como o Hubble orbita a Terra a cada 96 minutos, o telescópio voltou a ver o mesmo pequeno pedaço do céu repetidamente até que luz suficiente fosse coletada e adicionada para fazer essa exposição muito longa.) Há cerca de 10.000 objetos nesta única imagem, quase todos eles galáxias, cada uma com dezenas ou centenas de bilhões de estrelas. Podemos ver algumas galáxias espirais em forma de cata-vento, que são como a Via Láctea. Mas também encontramos uma grande variedade de galáxias de formas peculiares que estão em colisão com galáxias companheiras. As galáxias elípticas, que contêm principalmente estrelas antigas, aparecem como bolhas avermelhadas.

Embora não tenhamos espectros para a maioria das galáxias fracas, o Telescópio Espacial Hubble é especialmente adequado para estudar suas formas porque as imagens tiradas no espaço não são embaçadas pela atmosfera da Terra. Para surpresa dos astrônomos, as galáxias distantes não se encaixavam em nada no esquema de classificação do Hubble. Lembre-se de que o Hubble descobriu que quase todas as galáxias próximas poderiam ser classificadas em algumas categorias, dependendo se eram elípticas ou espirais. As galáxias distantes observadas pelo Telescópio Espacial Hubble parecem muito diferentes das galáxias atuais, sem braços, discos e protuberâncias espirais identificáveis (Figura\(\PageIndex{4}\)). Eles também tendem a ser muito mais desajeitados do que a maioria das galáxias atuais. Em outras palavras, está ficando claro que as formas das galáxias mudaram significativamente ao longo do tempo. Na verdade, agora sabemos que o esquema do Hubble funciona bem apenas na última metade da era do universo. Antes disso, as galáxias eram muito mais caóticas.

Figura\(\PageIndex{4}\): Primeiras galáxias. Esta imagem do Telescópio Espacial Hubble mostra o que provavelmente são “galáxias em construção” no universo primitivo. As caixas nesta imagem colorida mostram ampliações de 18 grupos de estrelas menores que as galáxias como as conhecemos. Todos esses objetos emitiram sua luz há cerca de 11 bilhões de anos. Eles normalmente têm apenas cerca de 2.000 anos-luz de diâmetro, o que é muito menor do que a Via Láctea, com seu diâmetro de 100.000 anos-luz. Esses 18 objetos são encontrados em uma região com apenas 2 milhões de anos-luz de diâmetro e estão próximos o suficiente para que provavelmente colidam e se fundam para construir uma ou mais galáxias normais.

Não são apenas as formas que são diferentes. Quase todas as galáxias a distâncias superiores a 11 bilhões de anos-luz — ou seja, galáxias que estamos vendo quando tinham menos de 3 bilhões de anos — são extremamente azuis, indicando que elas contêm muitas estrelas jovens e que a formação de estrelas nelas está ocorrendo a uma taxa mais alta do que nas galáxias próximas. As observações também mostram que galáxias muito distantes são sistematicamente menores, em média, do que galáxias próximas. Relativamente poucas galáxias presentes antes do universo ter cerca de 8 bilhões de anos têm massas maiores do que\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\). Isso é 1/20 da massa da Via Láctea se incluirmos seu halo de matéria escura. Onze bilhões de anos atrás, havia apenas algumas galáxias com massas maiores que\(10^{10}\)\(M_{\text{Sun}}\). Em vez disso, o que vemos parecem ser pequenos pedaços ou fragmentos de material galáctico (Figura\(\PageIndex{5}\)). Quando observamos as galáxias que emitiram sua luz de 11 a 12 bilhões de anos atrás, agora acreditamos que estamos vendo as sementes das galáxias elípticas e das protuberâncias centrais das espirais. Com o tempo, essas galáxias menores colidiram e se fundiram para construir as grandes galáxias atuais.

Lembre-se de que estrelas que se formaram há mais de 11 bilhões de anos serão estrelas muito antigas hoje em dia. Na verdade, quando olhamos de perto (para as galáxias que vemos mais perto do nosso tempo), encontramos principalmente estrelas antigas nas protuberâncias nucleares das espirais próximas e nas galáxias elípticas.

Figura\(\PageIndex{5}\): Uma das galáxias mais distantes, mais fracas e menores já vistas. As pequenas caixas brancas, rotuladas a, b e c, marcam as posições de três imagens da mesma galáxia. Essas múltiplas imagens foram produzidas pelo enorme aglomerado de galáxias conhecido como Abell 2744, que está localizado entre nós e a galáxia e atua como uma lente gravitacional. As setas nas inserções ampliadas à direita apontam para a galáxia. Cada imagem ampliada faz com que a galáxia pareça 10 vezes maior e mais brilhante do que pareceria sem a lente intermediária. Essa galáxia emitiu a luz que observamos hoje quando o universo tinha apenas cerca de 500 milhões de anos. Quando a luz foi emitida, a galáxia era pequena — com apenas 850 anos-luz de diâmetro, ou 500 vezes menor que a Láctea, e sua massa era de apenas 40 milhões de vezes a massa do Sol. A formação de estrelas está acontecendo nesta galáxia, mas aparece vermelha na imagem por causa de seu grande desvio para o vermelho.

O que essas observações estão nos mostrando é que as galáxias cresceram em tamanho à medida que o universo envelheceu. Não só as galáxias eram menores há vários bilhões de anos, mas havia mais delas; as galáxias ricas em gás, particularmente as menos luminosas, eram muito mais numerosas do que são hoje.

Essas são algumas das observações básicas que podemos fazer de galáxias individuais (e sua evolução) olhando para trás no tempo cósmico. Agora, queremos nos voltar para o contexto mais amplo. Se as estrelas estão agrupadas em galáxias, as galáxias também estão agrupadas de alguma forma? Na terceira seção deste capítulo, exploraremos as maiores estruturas conhecidas no universo.

Resumo

Quando olhamos para galáxias distantes, estamos olhando para trás no tempo. Agora vimos as galáxias como eram quando o universo tinha cerca de 500 milhões de anos — apenas cerca de cinco por cento da idade atual. O universo agora tem 13,8 bilhões de anos. A cor de uma galáxia é um indicador da idade das estrelas que a povoam. As galáxias azuis devem conter muitas estrelas jovens, quentes e massivas. As galáxias que contêm apenas estrelas antigas tendem a ser vermelho-amareladas. A primeira geração de estrelas se formou quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos. As galáxias observadas quando o universo tinha apenas alguns bilhões de anos tendem a ser menores do que as galáxias atuais, a ter formas mais irregulares e a ter uma formação estelar mais rápida do que as galáxias que vemos nas proximidades do universo atual. Isso mostra que os fragmentos menores de galáxias se reuniram nas galáxias maiores que vemos hoje.

Glossário

evolução (das galáxias)

mudanças em galáxias individuais ao longo do tempo cósmico, inferidas pela observação de instantâneos de muitas galáxias diferentes em momentos diferentes de suas vidas