28.2: Fusões de galáxias e núcleos galácticos ativos

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique como as galáxias crescem ao se fundir com outras galáxias e ao consumir galáxias menores (no almoço)
• Descreva os efeitos que buracos negros supermassivos nos centros da maioria das galáxias têm sobre o destino de suas galáxias hospedeiras

Uma das conclusões que os astrônomos chegaram ao estudar galáxias distantes é que colisões e fusões de galáxias inteiras desempenham um papel crucial na determinação de como as galáxias adquiriram as formas e tamanhos que vemos hoje. Atualmente, apenas algumas das galáxias próximas estão envolvidas em colisões, mas estudos detalhados delas nos dizem o que procurar quando buscamos evidências de fusões em galáxias muito distantes e muito fracas. Estes, por sua vez, nos dão pistas importantes sobre os diferentes caminhos evolutivos que as galáxias percorreram ao longo do tempo cósmico. Vamos examinar com mais detalhes o que acontece quando duas galáxias colidem.

Fusões e canibalismo

A foto em miniatura do capítulo mostra uma visão dinâmica de duas galáxias que estão colidindo. As próprias estrelas desse par de galáxias não serão muito afetadas por esse evento cataclísmico. (Veja a caixa de recursos Fundamentos da Astronomia Por que as galáxias colidem, mas as estrelas raramente o fazem abaixo.) Como há muito espaço entre as estrelas, uma colisão direta entre duas estrelas é muito improvável. No entanto, as órbitas de muitas das estrelas serão alteradas à medida que as duas galáxias se movem uma pela outra, e a mudança nas órbitas pode alterar totalmente a aparência das galáxias em interação. Uma galeria de galáxias interessantes em colisão é mostrada na Figura\(\PageIndex{1}\). Grandes anéis, enormes gavinhas de estrelas e gás e outras estruturas complexas podem se formar nessas colisões cósmicas. De fato, essas formas estranhas são os sinais que os astrônomos usam para identificar galáxias em colisão.

Figura\(\PageIndex{1}\): Galeria de galáxias interagindo. (a e b) M82 (galáxia menor no topo) e M83 (espiral) são vistas (a) em uma imagem de luz visível em preto e branco e (b) em ondas de rádio emitidas pelo gás hidrogênio frio. A imagem do hidrogênio mostra que as duas galáxias estão envoltas em uma camada comum de gás que está sendo puxada e esticada pela gravidade das duas galáxias. (c) Esta visão aproximada do Telescópio Espacial Hubble mostra alguns dos efeitos dessa interação na galáxia M82, incluindo gás fluindo para fora (gavinhas vermelhas) alimentado por explosões de supernovas de estrelas massivas formadas na explosão da formação estelar que foi resultado da colisão. (d) A galáxia UGC 10214 (“O Girino”) é uma galáxia espiral barrada a 420 milhões de anos-luz da Via Láctea que foi interrompida pela passagem de uma galáxia menor. A gravidade do intruso retirou a longa cauda de maré, que tem cerca de 280.000 anos-luz, e desencadeou explosões de formação estelar vistas como aglomerados azuis ao longo da cauda. (e) As galáxias NGC 4676 A e B são apelidadas de “Os Ratos”. Nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble, você pode ver as caudas longas e estreitas das estrelas afastadas das galáxias pelas interações das duas espirais. (e) Arp 148 é um par de galáxias que são capturadas no ato de se fundir para se tornar uma nova galáxia. Os dois parecem já ter passado um pelo outro uma vez, causando uma onda de choque que transformou a pessoa em um anel azul brilhante de formação estelar, como as ondulações de uma pedra lançada em um lago.

por que as galáxias colidem, mas as estrelas raramente o fazem

Ao longo deste livro, enfatizamos as grandes distâncias entre objetos no espaço. Portanto, você pode ter se surpreendido ao ouvir sobre colisões entre galáxias. No entanto (exceto nos próprios núcleos das galáxias) não nos preocupamos nem um pouco com estrelas dentro de uma galáxia colidindo umas com as outras. Vamos ver por que há uma diferença.

A razão é que as estrelas são lamentavelmente pequenas em comparação com as distâncias entre elas. Vamos usar nosso Sol como exemplo. O Sol tem cerca de 1,4 milhão de quilômetros de largura, mas está separado da outra estrela mais próxima por cerca de 4 anos-luz, ou cerca de 38 trilhões de quilômetros. Em outras palavras, o Sol está a 27 milhões de diâmetros do seu vizinho mais próximo. Se o Sol fosse uma toranja na cidade de Nova York, a estrela mais próxima seria outra toranja em São Francisco. Isso é típico de estrelas que não estão no bojo nuclear de uma galáxia ou dentro de aglomerados estelares. Vamos comparar isso com a separação das galáxias.

O disco visível da Via Láctea tem cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro. Temos três galáxias satélites que estão a apenas um ou dois diâmetros da Via Láctea de nós (e provavelmente um dia colidirão conosco). A espiral maior mais próxima é a Galáxia de Andrômeda (M31), a cerca de 2,4 milhões de anos-luz de distância. Se a Via Láctea fosse uma panqueca em uma extremidade de uma grande mesa de café da manhã, M31 seria outra panqueca na outra extremidade da mesma mesa. Nossa grande galáxia vizinha mais próxima está a apenas 24 dos diâmetros de nossa galáxia e começará a colidir com a Via Láctea em cerca de 4,5 bilhões de anos.

Galáxias em aglomerados ricos estão ainda mais próximas do que aquelas em nossa vizinhança (veja A distribuição de galáxias no espaço). Assim, as chances de colidirem de galáxias são muito maiores do que as chances de colidirem estrelas no disco de uma galáxia. E devemos observar que a diferença entre a separação de galáxias e estrelas também significa que quando galáxias colidem, suas estrelas quase sempre passam uma ao lado da outra como fumaça passando por uma porta de tela.

Os detalhes das colisões de galáxias são complexos e o processo pode levar centenas de milhões de anos. Assim, as colisões são melhor simuladas em um computador (Figura\(\PageIndex{2}\)), onde os astrônomos podem calcular as interações lentas de estrelas e nuvens de gás e poeira, via gravidade. Esses cálculos mostram que, se a colisão for lenta, as galáxias em colisão podem se unir para formar uma única galáxia.

Figura\(\PageIndex{2}\): Simulação computacional de uma colisão de uma galáxia. Esta simulação computacional começa com a fusão de duas galáxias espirais e termina com uma única galáxia elíptica. As cores mostram as cores das estrelas no sistema; observe as explosões de cor azul à medida que a formação abundante de estrelas é desencadeada pela interação. A escala de tempo do início ao fim nessa sequência é de cerca de um bilhão de anos.

Quando duas galáxias de mesmo tamanho estão envolvidas em uma colisão, chamamos essa interação de fusão (o termo aplicado no mundo dos negócios a duas empresas iguais que unem forças). Mas galáxias pequenas também podem ser engolidas por galáxias maiores — um processo que os astrônomos chamaram, com algum prazer, de canibalismo galáctico (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Os computadores pessoais modernos são mais do que poderosos o suficiente para computar o que acontece quando galáxias colidem. Aqui está um site e um applet Java que permitem que você tente colidir duas galáxias espirais no conforto de sua casa ou dormitório. Ao alterar alguns controles básicos, como as massas relativas, sua separação e a orientação do disco de cada galáxia, você pode criar uma ampla variedade de resultados de fusão resultantes. (Você também pode baixar um aplicativo semelhante para seu iPhone ou iPad.)

Figura\(\PageIndex{3}\): Canibalismo galáctico. (a) Esta imagem do Hubble mostra a estranha silhueta de nuvens de poeira escura contra o núcleo brilhante da galáxia elíptica NGC 1316. As galáxias elípticas normalmente contêm muito pouca poeira. Essas nuvens são provavelmente o remanescente de uma pequena galáxia companheira que foi canibalizada (comida) pela NGC 1316 há cerca de 100 milhões de anos. (b) A galáxia altamente perturbada NGC 6240, fotografada pelo Telescópio Espacial Hubble (imagem de fundo) e pelo Telescópio de Raios X Chandra (ambos insertos) é aparentemente o produto de uma fusão entre duas galáxias espirais ricas em gás. As imagens de raios-X mostram que não há um, mas dois núcleos, ambos brilhando intensamente nos raios X e separados por apenas 4000 anos-luz. Esses são provavelmente os locais de dois buracos negros supermassivos que habitaram os núcleos das duas galáxias antes da fusão; aqui eles estão participando de uma espécie de “espiral da morte”, na qual os próprios dois buracos negros se fundirão para se tornarem um.

As galáxias elípticas muito grandes que discutimos em Galáxias provavelmente se formam canibalizando uma variedade de galáxias menores em seus aglomerados. Essas galáxias “monstruosas” freqüentemente possuem mais de um núcleo e provavelmente adquiriram suas luminosidades incomumente altas ao engolir galáxias próximas. Os múltiplos núcleos são os remanescentes de suas vítimas (Figura\(\PageIndex{3}\)). Muitas das galáxias grandes e peculiares que observamos também devem suas formas caóticas às interações passadas. Colisões e fusões lentas podem até transformar duas ou mais galáxias espirais em uma única galáxia elíptica.

Uma mudança na forma não é tudo o que acontece quando galáxias colidem. Se uma das galáxias contiver matéria interestelar, a colisão pode comprimir o gás e desencadear um aumento na taxa na qual as estrelas estão sendo formadas — em até um fator de 100. Os astrônomos chamam esse aumento abrupto no número de estrelas sendo formadas de explosão estelar, e as galáxias nas quais o aumento ocorre são chamadas de galáxias com explosão estelar (Figura\(\PageIndex{4}\)). Em algumas galáxias em interação, a formação estelar é tão intensa que todo o gás disponível se esgota em apenas alguns milhões de anos; a explosão da formação estelar é claramente apenas um fenômeno temporário. Enquanto uma explosão estelar está acontecendo, no entanto, a galáxia onde ela está ocorrendo se torna muito mais brilhante e muito mais fácil de detectar em grandes distâncias.

Figura\(\PageIndex{4}\): Starburst associado à colisão de galáxias. (a) Três das galáxias do pequeno grupo conhecido como Quinteto de Stephan estão interagindo gravitacionalmente umas com as outras (a galáxia no canto superior esquerdo está na verdade muito mais próxima que as outras três e não faz parte dessa interação), resultando nas formas distorcidas vistas aqui. Longas sequências de estrelas azuis jovens e massivas e centenas de regiões de formação estelar brilhando na luz rosa do gás hidrogênio excitado também são resultados da interação. As idades dos aglomerados estelares variam de 2 milhões a 1 bilhão de anos, sugerindo que houve várias colisões diferentes dentro desse grupo de galáxias, cada uma levando a explosões de formação estelar. Os três membros interativos do Quinteto de Stephan estão localizados a uma distância de 270 milhões de anos-luz. (b) A maioria das galáxias forma novas estrelas a um ritmo bastante lento, mas membros de uma classe rara conhecida como galáxias com formação estelar explosiva brilham com uma formação estelar extremamente ativa. A galáxia II Zw 096 é uma dessas galáxias com explosão estelar, e esta imagem combinada usando dados do Telescópio Espacial Hubble e Spitzer mostra que ela está formando aglomerados brilhantes de novas estrelas a uma taxa prodigiosa. As cores azuis mostram as galáxias que se fundem na luz visível, enquanto as cores vermelhas mostram radiação infravermelha da região poeirenta onde a formação estelar está acontecendo. Esta galáxia está a uma distância de 500 milhões de anos-luz e tem um diâmetro de cerca de 50.000 anos-luz, cerca de metade do tamanho da Via Láctea.

Quando os astrônomos finalmente tiveram as ferramentas para examinar um número significativo de galáxias que emitiram sua luz de 11 a 12 bilhões de anos atrás, eles descobriram que essas galáxias muito jovens geralmente se assemelham a galáxias próximas com explosão estelar que estão envolvidas em fusões: elas também têm vários núcleos e formas peculiares, elas são geralmente mais desajeitadas do que as galáxias normais hoje em dia, com vários nós intensos e grumos de luz estelar brilhante, e elas têm taxas mais altas de formação estelar do que galáxias isoladas. Eles também contêm muitas estrelas azuis jovens do tipo O e B, assim como galáxias próximas que se fundem.

As fusões de galáxias no universo atual são raras. Atualmente, apenas cerca de cinco por cento das galáxias próximas estão envolvidas em interações. As interações eram muito mais comuns há bilhões de anos (Figura\(\PageIndex{5}\)) e ajudaram a construir as galáxias “mais maduras” que vemos em nosso tempo. Claramente, as interações das galáxias desempenharam um papel crucial em sua evolução.

Figura\(\PageIndex{5}\): Colisões de galáxias em um aglomerado distante. A imagem maior à esquerda mostra a imagem do Telescópio Espacial Hubble de um aglomerado de galáxias a uma distância de cerca de 8 bilhões de anos-luz. Entre as 81 galáxias do aglomerado que foram examinadas com algum detalhe, 13 são o resultado de colisões recentes de pares de galáxias. As oito imagens menores à direita são close-ups de algumas das galáxias em colisão. O processo de fusão normalmente leva cerca de um bilhão de anos.

Núcleos galácticos ativos e evolução de galáxias

Embora as fusões de galáxias sejam eventos enormes e espalhafatosos que remodelam completamente galáxias inteiras em escalas de centenas de milhares de anos-luz e podem desencadear explosões massivas de formação estelar, o acúmulo de buracos negros dentro de galáxias também pode perturbar e alterar a evolução de suas galáxias hospedeiras. Você aprendeu em Galáxias Ativas, Quasares e Buracos Negros Supermassivos sobre uma família de objetos conhecidos como núcleos galácticos ativos (AGN), todos eles alimentados por buracos negros supermassivos. Se o buraco negro estiver cercado por gás suficiente, parte do gás pode cair no buraco negro, sendo arrastado pelo caminho para um disco de acreção, um turbilhão compacto e rodopiante, talvez com apenas 100 UA de diâmetro (o tamanho do nosso sistema solar).

Dentro do disco, o gás se aquece até brilhar intensamente, mesmo em raios-X, muitas vezes ofuscando o resto da galáxia hospedeira com seus bilhões de estrelas. Buracos negros supermassivos e seus discos de acreção podem ser lugares violentos e poderosos, com algum material sendo sugado para o buraco negro, mas ainda mais sendo expelido ao longo de enormes jatos perpendiculares ao disco. Esses jatos poderosos podem se estender muito além da borda estrelada da galáxia.

Os AGN eram muito mais comuns no universo primitivo, em parte porque fusões frequentes forneciam um novo suprimento de gás para os discos de acreção de buracos negros. Exemplos de AGN no universo próximo de hoje incluem o da galáxia M87 (veja a Figura)\(\PageIndex{1}\), que exibe um jato de material saindo de seu núcleo a velocidades próximas à velocidade da luz, e o da brilhante galáxia NGC 5128, também conhecida como Centaurus A (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Imagem composta da galáxia Centaurus A. Esta imagem colorida artificialmente foi feita usando dados de três telescópios diferentes: radiação submilimétrica com comprimento de onda de 870 mícrons é mostrada em laranja; raios-X são vistos em azul; e a luz visível das estrelas é mostrada em sua cor natural. O Centaurus A tem um núcleo galáctico ativo que alimenta dois jatos, vistos em azul e laranja, alcançando direções opostas muito além do disco estelar da galáxia e inflando dois enormes lóbulos, ou nuvens, de gás quente emissor de raios X. Centaurus está a uma distância de 13 milhões de anos-luz, o que a torna uma das galáxias ativas mais próximas que conhecemos.

Muitas partículas altamente aceleradas se movem com os jatos nessas galáxias. Ao longo do caminho, as partículas nos jatos podem penetrar em nuvens de gás no meio interestelar, separando-as e espalhando-as. Como nuvens mais densas de gás e poeira são necessárias para que o material se agrupe para formar estrelas, a ruptura das nuvens pode deter a formação de estrelas na galáxia hospedeira ou interrompê-la antes mesmo de começar.

Dessa forma, quasares e outros tipos de AGN podem desempenhar um papel crucial na evolução de suas galáxias. Por exemplo, há evidências crescentes de que a fusão de duas galáxias ricas em gás não só produz uma grande explosão de formação estelar, mas também desencadeia a atividade de AGN no núcleo da nova galáxia. Essa atividade, por sua vez, poderia então desacelerar ou interromper a explosão da formação estelar, o que poderia ter implicações significativas na forma aparente, brilho, conteúdo químico e componentes estelares de toda a galáxia. Os astrônomos se referem a esse processo como feedback do AGN, e aparentemente é um fator importante na evolução da maioria das galáxias.

Resumo

Quando galáxias de tamanho comparável colidem e se unem, chamamos isso de fusão, mas quando uma pequena galáxia é engolida por uma muito maior, usamos o termo canibalismo galáctico. As colisões desempenham um papel importante na evolução das galáxias. Se a colisão envolver pelo menos uma galáxia rica em matéria interestelar, a compressão resultante do gás resultará em uma explosão de formação estelar, levando a uma galáxia estelar explosiva. As fusões eram muito mais comuns quando o universo era jovem, e muitas das galáxias mais distantes que vemos são galáxias com formação estelar explosiva que estão envolvidas em colisões. Núcleos galácticos ativos alimentados por buracos negros supermassivos nos centros da maioria das galáxias podem ter efeitos importantes na galáxia hospedeira, incluindo o bloqueio da formação estelar.

Glossário

canibalismo galáctico

um processo pelo qual uma galáxia maior retira material ou engole completamente uma menor

fusão

uma colisão entre galáxias (de tamanho aproximadamente comparável) que se combinam para formar uma única estrutura nova

explosão estelar

uma galáxia ou fusão de várias galáxias que transforma gás em estrelas muito mais rápido do que o normal