28.5: A formação e evolução de galáxias e estruturas no universo

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Resuma as principais teorias que tentam explicar como galáxias individuais se formaram
• Explique como pequenas “sementes” de matéria escura no universo primitivo cresceram por atração gravitacional ao longo de bilhões de anos nas maiores estruturas observadas no universo: aglomerados e superaglomerados de galáxias, filamentos e vazios

Como acontece com a maioria dos ramos das ciências naturais, astrônomos e cosmólogos sempre querem saber a resposta para a pergunta: “Como ficou assim?” O que fez com que galáxias e aglomerados de galáxias, superaglomerados, vazios e filamentos tivessem a mesma aparência que têm? A existência de filamentos tão grandes de galáxias e vazios é um quebra-cabeça interessante porque temos evidências (a serem discutidas no The Big Bang) de que o universo era extremamente suave mesmo algumas centenas de milhares de anos após a formação. O desafio para os teóricos é entender como um universo quase sem características se transformou no complexo e irregular que vemos hoje. Munidos de nossas observações e da compreensão atual da evolução das galáxias ao longo do tempo cósmico, da matéria escura e da estrutura em grande escala, agora estamos preparados para tentar responder a essa pergunta em algumas das maiores escalas possíveis no universo. Como veremos, a resposta curta de como o universo ficou assim é “matéria escura + gravidade + tempo”.

Como as galáxias se formam e crescem

Já vimos que as galáxias eram mais numerosas, mas menores, mais azuis e mais desajeitadas, no passado distante do que são hoje, e que as fusões de galáxias desempenham um papel significativo em sua evolução. Ao mesmo tempo, observamos quasares e galáxias que emitiam sua luz quando o universo tinha menos de um bilhão de anos — então sabemos que grandes condensações de matéria começaram a se formar pelo menos tão cedo. Também vimos em Galáxias Ativas, Quasares e Buracos Negros Supermassivos que muitos quasares são encontrados nos centros das galáxias elípticas. Isso significa que algumas das primeiras grandes concentrações de matéria devem ter evoluído para as galáxias elípticas que vemos no universo atual. Parece provável que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias e a distribuição esférica da matéria comum ao redor deles tenham se formado ao mesmo tempo e por meio de processos físicos relacionados.

A confirmação dramática dessa imagem só chegou na última década, quando os astrônomos descobriram uma relação empírica curiosa: como vimos em Galáxias Ativas, Quasares e Buracos Negros Supermassivos, quanto mais massiva é uma galáxia, mais massivo é seu buraco negro central. De alguma forma, o buraco negro e a galáxia “se conhecem” o suficiente para igualar suas taxas de crescimento.

Existem dois tipos principais de modelos de formação de galáxias para explicar todas essas observações. A primeira afirma que galáxias elípticas massivas se formaram em um único e rápido colapso de gás e matéria escura, durante o qual praticamente todo o gás foi transformado rapidamente em estrelas. Posteriormente, as galáxias mudaram apenas lentamente à medida que as estrelas evoluíram. Isso é o que os astrônomos chamam de cenário “de cima para baixo”.

O segundo modelo sugere que os elípticos gigantes atuais foram formados principalmente por meio de fusões de galáxias menores que já haviam convertido pelo menos parte de seu gás em estrelas — um cenário “de baixo para cima”. Em outras palavras, os astrônomos debateram se elípticas gigantes formaram a maioria de suas estrelas na grande galáxia que vemos hoje ou em pequenas galáxias separadas que posteriormente se fundiram.

Como vemos alguns quasares luminosos de quando o universo tinha menos de um bilhão de anos, é provável que pelo menos alguns elípticos gigantes tenham começado sua evolução muito cedo por meio do colapso de uma única nuvem. No entanto, a melhor evidência também parece mostrar que galáxias elípticas gigantes maduras, como as que vemos nas proximidades, eram raras antes do universo ter cerca de 6 bilhões de anos e que são muito mais comuns hoje do que eram quando o universo era jovem. As observações também indicam que a maior parte do gás nas galáxias elípticas foi convertida em estrelas quando o universo tinha cerca de 3 bilhões de anos, então parece que as galáxias elípticas não formaram muitas estrelas novas desde então. Costuma-se dizer que são “vermelhas e mortas”, ou seja, elas geralmente contêm estrelas vermelhas velhas, frias e vermelhas, e há pouca ou nenhuma formação estelar nova acontecendo.

Essas observações (quando consideradas em conjunto) sugerem que as galáxias elípticas gigantes que vemos nas proximidades se formaram a partir de uma combinação de mecanismos de cima para baixo e de baixo para cima, com as galáxias mais massivas se formando nos aglomerados mais densos, onde ambos os processos aconteceram muito cedo e rapidamente na história do universo.

A situação com galáxias espirais é aparentemente muito diferente. As protuberâncias dessas galáxias se formaram cedo, como as galáxias elípticas (Figura\(\PageIndex{1}\)). No entanto, os discos se formaram posteriormente (lembre-se de que as estrelas no disco da Via Láctea são mais jovens do que as estrelas no bojo e no halo) e ainda contêm gás e poeira. No entanto, a taxa de formação de estrelas em espirais hoje é cerca de dez vezes menor do que era há 8 bilhões de anos. O número de estrelas que estão sendo formadas diminui à medida que o gás se esgota. Portanto, as espirais parecem se formar principalmente “de baixo para cima”, mas por mais tempo do que as elípticas e de uma forma mais complexa, com pelo menos duas fases distintas.

Figura\(\PageIndex{1}\) Crescimento de protuberâncias em espiral. As protuberâncias nucleares de algumas galáxias espirais se formaram pelo colapso de uma única nuvem protogaláctica (fileira superior). Outras cresceram com o tempo por meio de fusões com outras galáxias menores (linha inferior).

O Hubble originalmente pensava que as galáxias elípticas eram jovens e acabariam se transformando em espirais, uma ideia que agora sabemos que não é verdadeira. Na verdade, como vimos acima, é mais provável que seja o contrário: duas espirais que se chocam juntas sob sua gravidade mútua podem se transformar em elípticas.

Apesar desses avanços em nossa compreensão de como as galáxias se formam e evoluem, muitas questões permanecem. Por exemplo, é até possível, dadas as evidências atuais, que galáxias espirais percam seus braços e discos espirais em um evento de fusão, fazendo com que pareçam mais com uma galáxia elíptica ou irregular e, em seguida, recuperem o disco e os braços novamente mais tarde, se houver gás suficiente disponível. A história de como as galáxias assumem suas formas finais ainda está sendo escrita à medida que aprendemos mais sobre galáxias e seu ambiente.

Formando aglomerados de galáxias, superaglomerados, vazios e filamentos

Se galáxias individuais parecem crescer principalmente reunindo pedaços menores gravitacionalmente ao longo do tempo cósmico, e os aglomerados de galáxias e estruturas maiores, como as vistas na Figura\(28.3.8\) na Seção 28.3? Como explicamos os mapas em grande escala que mostram galáxias distribuídas nas paredes de enormes estruturas semelhantes a esponjas ou bolhas que abrangem centenas de milhões de anos-luz?

Como vimos, as observações encontraram evidências crescentes de concentrações, filamentos, aglomerados e superaglomerados de galáxias quando o universo tinha menos de 3 bilhões de anos (Figura\(\PageIndex{2}\)). Isso significa que grandes concentrações de galáxias já haviam se unido quando o universo tinha menos de um quarto da idade atual.

Figura\(\PageIndex{2}\): Fusão de galáxias em um aglomerado distante. Esta imagem do Hubble mostra o núcleo de um dos aglomerados de galáxias mais distantes já descobertos, o SPARCS 1049+56; estamos vendo isso como era há quase 10 bilhões de anos. A surpresa da imagem foi o “acidente de trem” de formas caóticas de galáxias e caudas de maré azuis: aparentemente, existem várias galáxias bem no núcleo que estão se fundindo, a provável causa de uma explosão massiva de formação de estrelas e emissão de infravermelho brilhante do aglomerado.

Quase todos os modelos atualmente preferidos de como a estrutura em grande escala se formou no universo contam uma história semelhante à de galáxias individuais: pequenas “sementes” de matéria escura na sopa cósmica quente após o Big Bang cresceram por gravidade em estruturas cada vez maiores à medida que o tempo cósmico passava (Figura\(\PageIndex{3}\)). Os modelos finais que construímos precisarão ser capazes de explicar o tamanho, a forma, a idade, o número e a distribuição espacial de galáxias, aglomerados e filamentos — não apenas hoje, mas também no passado. Portanto, os astrônomos estão trabalhando duro para medir e depois modelar essas características da estrutura de grande escala com a maior precisão possível. Até agora, uma mistura de 5% de átomos normais, 27% de matéria escura fria e 68% de energia escura parece ser a melhor maneira de explicar todas as evidências atualmente disponíveis (veja The Big Bang).

Figura\(\PageIndex{3}\) Crescimento da estrutura de grande escala, conforme calculado por supercomputadores. As caixas mostram como filamentos e superaglomerados de galáxias crescem ao longo do tempo, desde uma distribuição relativamente suave de matéria escura e gás, com poucas galáxias formadas nos primeiros 2 bilhões de anos após o Big Bang, até as cadeias muito aglomeradas de galáxias com grandes vazios atualmente. Compare a última imagem nesta sequência com a distribuição real das galáxias próximas mostrada na Figura\(28.3.8\) na Seção 28.3.

A caixa à esquerda tem o rótulo “Big Bang”, a caixa no centro não tem rótulo e a caixa à direita está rotulada como “Presente”. Uma seta branca aponta da esquerda para a direita representando a direção do tempo.

Os cientistas até têm um modelo para explicar como uma “sopa” quente e quase uniforme de partículas e energia no início dos tempos adquiriu a estrutura semelhante ao queijo suíço que agora vemos nas maiores escalas. Como veremos em The Big Bang, quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhares de anos, tudo estava a uma temperatura de alguns milhares de graus. Os teóricos sugerem que, naquela época inicial, todo o gás quente estava vibrando, assim como as ondas sonoras vibram o ar de uma boate com uma banda especialmente alta. Essa vibração poderia ter concentrado a matéria em picos de alta densidade e criado espaços mais vazios entre eles. Quando o universo esfriou, as concentrações de matéria foram “congeladas” e as galáxias finalmente se formaram a partir da matéria nessas regiões de alta densidade.

O panorama geral

Para finalizar este capítulo, vamos juntar todas essas ideias para contar uma história coerente de como o universo surgiu do jeito que tem. Inicialmente, como dissemos, a distribuição da matéria (luminosa e escura) era quase, mas não exatamente, suave e uniforme. Esse “não exatamente” é a chave para tudo. Aqui e ali havia caroços em que a densidade da matéria (luminosa e escura) era ligeiramente superior à média.

Inicialmente, cada nódulo individual se expandiu porque todo o universo estava se expandindo. No entanto, à medida que o universo continuava a se expandir, as regiões de maior densidade adquiriram ainda mais massa porque exerceram uma força gravitacional ligeiramente maior do que a média sobre o material circundante. Se a atração interna da gravidade fosse alta o suficiente, as regiões individuais mais densas finalmente pararam de se expandir. Eles então começaram a colapsar em bolhas de formato irregular (esse é o termo técnico que os astrônomos usam!). Em muitas regiões, o colapso foi mais rápido em uma direção, então as concentrações de matéria não eram esféricas, mas passaram a se assemelhar a aglomerados gigantes, panquecas e filamentos semelhantes a cordas — cada um muito maior do que galáxias individuais.

Esses aglomerados alongados existiam em todo o universo primitivo, orientados em diferentes direções e colapsando em taxas diferentes. Os aglomerados forneceram a estrutura para as estruturas filamentares e em forma de bolhas em grande escala que vemos preservadas no universo hoje.

O universo então começou a “se construir” de baixo para cima. Dentro dos aglomerados, estruturas menores se formaram primeiro e depois se fundiram para construir outras maiores, como peças de Lego sendo montadas uma a uma para criar uma metrópole gigante de Lego. As primeiras concentrações densas de matéria que entraram em colapso foram do tamanho de pequenas galáxias anãs ou aglomerados globulares, o que ajuda a explicar por que os aglomerados globulares são as coisas mais antigas da Via Láctea e da maioria das outras galáxias. Esses fragmentos então se reuniram gradualmente para construir galáxias, aglomerados de galáxias e, finalmente, superaglomerados de galáxias.

De acordo com essa imagem, pequenas galáxias e grandes aglomerados estelares se formaram pela primeira vez nas regiões de maior densidade de todas - os filamentos e nós onde as panquecas se cruzam - quando o universo tinha cerca de dois por cento de sua idade atual. Algumas estrelas podem ter se formado antes mesmo de os primeiros aglomerados estelares e galáxias surgirem. Algumas colisões entre galáxias e galáxias provocaram explosões massivas de formação estelar, e algumas delas levaram à formação de buracos negros. Naquele ambiente rico e lotado, os buracos negros encontraram comida constante e cresceram em massa. O desenvolvimento de buracos negros massivos desencadeou então quasares e outros núcleos galácticos ativos cujas poderosas saídas de energia e matéria interromperam a formação estelar em suas galáxias hospedeiras. O universo primitivo deve ter sido um lugar empolgante!

Aglomerados de galáxias então se formaram como galáxias individuais reunidas, unidas por sua atração gravitacional mútua (Figura\(\PageIndex{4}\)). Primeiro, algumas galáxias se uniram para formar grupos, muito parecido com nosso próprio Grupo Local. Em seguida, os grupos começaram a se combinar para formar clusters e, eventualmente, superclusters. Esse modelo prevê que aglomerados e superaglomerados ainda devem estar em processo de reunião, e as observações de fato sugerem que os aglomerados ainda estão reunindo seus bandos de galáxias e coletando mais gás à medida que ele flui ao longo dos filamentos. Em alguns casos, até vemos aglomerados inteiros de galáxias se fundindo.

Figura\(\PageIndex{4}\) Formação de um aglomerado de galáxias. Este diagrama esquemático mostra como as galáxias poderiam ter se formado se pequenas nuvens se formassem primeiro e depois se reunissem para formar galáxias e depois aglomerados de galáxias.

A maioria das galáxias elípticas gigantes se formou através da colisão e fusão de muitos fragmentos menores. Algumas galáxias espirais podem ter se formado em regiões relativamente isoladas a partir de uma única nuvem de gás que colapsou para formar um disco achatado, mas outras adquiriram estrelas, gás e matéria escura adicionais por meio de colisões, e as estrelas adquiridas por meio dessas colisões agora povoam seus halos e protuberâncias. Como vimos, nossa Via Láctea ainda está capturando pequenas galáxias e as adicionando ao seu halo, e provavelmente também puxando gás fresco dessas galáxias para seu disco.

Resumo

Inicialmente, a matéria luminosa e escura no universo era distribuída quase — mas não totalmente — uniformemente. O desafio das teorias de formação de galáxias é mostrar como essa distribuição “não muito” suave da matéria desenvolveu as estruturas — galáxias e aglomerados de galáxias — que vemos hoje. É provável que a distribuição filamentar de galáxias e vazios tenha sido construída quase no início, antes de estrelas e galáxias começarem a se formar. As primeiras condensações da matéria foram sobre a massa de um grande aglomerado estelar ou de uma pequena galáxia. Essas estruturas menores então se fundiram ao longo do tempo cósmico para formar grandes galáxias, aglomerados de galáxias e superaglomerados de galáxias. Atualmente, os superaglomerados ainda estão acumulando mais galáxias, gás e matéria escura. E galáxias espirais como a Via Láctea ainda estão adquirindo material capturando pequenas galáxias próximas a elas.