28.E: A evolução e distribuição de galáxias (exercícios)

Para uma exploração mais aprofundada

Artigos

Andrews, B. “O que as galáxias estão tentando nos dizer?” Astronomia (fevereiro de 2011): 24. Introdução à nossa compreensão das formas e da evolução de diferentes tipos de galáxias.

Barger, A. “A crise da meia idade do cosmos”. Scientific American (janeiro de 2005): 46. Sobre como nosso tempo difere do universo primitivo em termos do que as galáxias estão fazendo e qual o papel que os buracos negros supermassivos desempenham.

Berman, B. “O Universo Perdido”. Astronomia (abril de 2014): 24. Breve revisão da matéria escura, o que ela poderia ser e teorias modificadas da gravidade que também podem explicá-la.

Faber, S., et al. “Olhando de volta para Cosmic Dawn.” Sky & Telescope (junho de 2014): 18. Programe para ver as galáxias mais distantes e antigas com o Hubble.

Geller, M., & Huchra, J. “Mapeando o Universo”. Sky & Telescope (agosto de 1991): 134. Em seu projeto mapeando a localização de galáxias em três dimensões.

Hooper, D. “A matéria escura na era dos descobrimentos”. Sky & Telescope (janeiro de 2013): 26. Em experimentos que buscam a natureza da matéria escura.

James, C. R. “O campo profundo do Hubble: a imagem que vale um trilhão de estrelas”. Astronomia (novembro de 2015): 44. Histórico e resultados detalhados, além do Hubble Ultra-Deep Field.

Kaufmann, G. e van den Bosch, F. “O ciclo de vida das galáxias”. Scientific American (junho de 2002): 46. Sobre a evolução das galáxias e como as diferentes formas das galáxias se desenvolvem.

Knapp, G. “Mining the Heavens: The Sloan Digital Sky Survey”. Sky & Telescope (agosto de 1997): 40.

Kron, R., & Butler, S. “Estrelas e tiras para sempre”. Astronomia (fevereiro de 1999): 48. No Sloan Digital Survey.

Kruesi, L. “O que realmente sabemos sobre a matéria escura?” Astronomia (novembro de 2009): 28. Concentra-se no que a matéria escura pode ser e experimenta descobrir.

Larson, R., & Bromm, V. “As primeiras estrelas do universo”. Scientific American (dezembro de 2001): 64. Sobre a idade das trevas e o nascimento das primeiras estrelas.

Nadis, S. “Explorando a conexão Galáxia-Buraco Negro”. Astronomia (maio de 2010): 28. Sobre o papel dos buracos negros massivos na evolução das galáxias.

Nadis, S. “Astrônomos revelam a estrutura oculta do universo”. Astronomia (setembro de 2013): 44. Como a matéria escura é o andaime sobre o qual o universo visível repousa.

Schilling, G. “O Hubble vai longe”. Sky & Telescope (janeiro de 2015): 20. Usando lentes gravitacionais com HST para ver as galáxias mais distantes.

Strauss, M. “Lendo os Planos da Criação”. Scientific American (fevereiro de 2004): 54. Sobre pesquisas em grande escala de galáxias e o que elas nos dizem sobre a organização do universo primitivo.

Tytell, D. “Um campo amplo e profundo: tendo uma visão geral”. Sky & Telescope (setembro de 2001): 42. No levantamento da NOAO de objetos do céu profundo.

Villard, R. “Como a grande ilusão da gravidade revela o universo”. Astronomia (janeiro de 2013): 44. Sobre lentes gravitacionais e o que elas nos ensinam.

Websites

Montagem de galáxias: http://jwst.nasa.gov/galaxies.html. Informações básicas introdutórias sobre galáxias: o que sabemos e o que queremos aprender.

Breve história da lente gravitacional: www.einstein-online.info/spot... ensing_history. Do Einstein OnLine.

Estruturas cósmicas: skyserver.sdss.org/dr1/en/ast... structures.asp. Breve página de revisão sobre como as galáxias são organizadas, do Sloan Survey.

Descoberta da primeira lente gravitacional: astrosociety.org/wp-content/u... /ab2009-33.pdf. Por Ray Weymann, 2009.

Descobertas de lentes gravitacionais do telescópio espacial Hubble: http://hubblesite.org/newscenter/arc...tational-lens/. Uma lista cronológica de comunicados à imprensa e imagens.

Grupo local de galáxias: http://www.atlasoftheuniverse.com/localgr.html. Mapa clicável do projeto Atlas do Universo. Veja também a página do Virgo Cluster: http://www.atlasoftheuniverse.com/galgrps/vir.html.

RotCurve: burro.astr.cwru.edu/javalab/R... eWeb/main.html. Experimente usar dados reais da curva de rotação de galáxias para medir halos de matéria escura usando esta simulação de applet Java.

Site da Sloan Digital Sky Survey: http://classic.sdss.org/. Inclui peças técnicas e não técnicas.

Lunetas no Universo: www.spacetelescope.org/scienc... ional_lensing/. Página do Hubble sobre lentes gravitacionais; inclui links para vídeos.

Aglomerado de galáxias de Virgem: http://messier.seds.org/more/virgo.html. Uma página com informações breves e links para mapas, imagens, etc.

Vídeos

Simulações cósmicas: www.tapir.caltech.edu/~phopki... ies_cosmo.html. Lindos vídeos com simulações em computador de como as galáxias se formam, do grupo FIRE.

Cosmologia do universo local: http://irfu.cea.fr/cosmography. Navegação narrada de mapas de galáxias mostrando as regiões mais próximas do universo (17:35).

Lente gravitacional: https://www.youtube.com/watch?v=4Z71RtwoOas. Vídeo do Fermilab, com o Dr. Don Lincoln (7:14).

Como as galáxias foram preparadas a partir da sopa primordial: https://www.youtube.com/watch?v=wqNNCm7SNyw. Uma palestra pública de 2013 da Dra. Sandra Faber, do Observatório Lick, sobre a evolução das galáxias; parte da Série de Palestras de Astronomia do Vale do Silício (1:19:33).

O Hubble Extreme Deep Field ultrapassa as fronteiras do tempo e do espaço: https://www.youtube.com/watch?v=gu_VhzhlqGw. Breve vídeo de 2012 (2:42).

Olhando profundamente o universo em 3D: https://www.eso.org/public/videos/eso1507a/. Vídeo do ESOcast de 2015 sobre como os Very Large Telescopes são usados para explorar o Campo Ultraprofundo do Hubble e aprender mais sobre as galáxias mais fracas e mais distantes (5:12).

Simulação do Milênio: www.mpa.mpa-garching.mpg.de/ga... rgo/millennium. Um supercomputador na Alemanha acompanha a evolução de uma caixa grande representativa à medida que o universo evolui.

Filmes de voo pela estrutura local em grande escala: www.ifa.hawaii.edu/~tully/. Por Brent Tully.

Lançando luz sobre a matéria escura: https://www.youtube.com/watch?v=bZW_B9CC-gI. Palestra TED de 2008 sobre galáxias e matéria escura da física Patricia Burchat (17:08).

Filmes de visão geral do Sloan Digital Sky Survey: astro.uchicago.edu/cosmus/projects/sloanmovie/.

Universo virtual: https://www.youtube.com/watch?v=SY0bKE10ZDM. Um modelo do MIT de uma seção do universo evoluindo, com matéria escura incluída (4:11).

Quando duas galáxias colidem: www.openculture.com/2009/04/w... s_collide.html. Simulação computacional, que para em vários pontos e mostra uma imagem do Hubble de tal sistema na natureza (1:37).

Atividades colaborativas em grupo

1. Suponha que você tenha desenvolvido uma teoria para explicar a evolução da cidade de Nova York. Peça ao seu grupo que discuta se isso se assemelharia ao desenvolvimento da estrutura no universo (como descrevemos neste capítulo). Quais elementos do seu modelo para Nova York se assemelham ao modelo dos astrônomos para o crescimento da estrutura no universo? Quais elementos não correspondem?
2. A maioria dos astrônomos acredita que a matéria escura existe e é uma grande fração da matéria total do universo. Ao mesmo tempo, a maioria dos astrônomos não acredita que os OVNIs sejam evidências de que estamos sendo visitados por alienígenas de outro mundo. No entanto, os astrônomos nunca viram matéria escura ou um OVNI. Por que você acha que uma ideia é amplamente aceita pelos cientistas e a outra não? Qual ideia você acha que é mais verossímil? Dê seu raciocínio.
3. Alguém do seu grupo descreve as pesquisas de galáxias em desvio para o vermelho para um amigo, que diz que nunca ouviu falar de um desperdício maior de esforço. Quem se importa, ele pergunta, com a estrutura em grande escala do universo? Qual é a reação do seu grupo e quais motivos você poderia inventar para investir dinheiro na descoberta de como o universo está organizado?
4. O líder de um país pequeno, mas muito rico, é obcecado por mapas. Ela montou uma coleção fabulosa de mapas da Terra, comprou todos os mapas de outros planetas que os astrônomos montaram e agora quer encomendar o melhor mapa possível de todo o universo. Seu grupo foi selecionado para aconselhá-la. Em que tipo de instrumentos e pesquisas ela deveria investir para produzir um bom mapa do cosmos? Seja o mais específico possível.
5. Baixe uma imagem de alta resolução de um rico aglomerado de galáxias do Telescópio Espacial Hubble (veja a lista de notícias sobre lentes gravitacionais na seção “Para exploração adicional”). Veja se seu grupo pode trabalhar em conjunto para identificar arcos gravitacionais, as imagens de galáxias de fundo distantes distorcidas pela massa do aglomerado. Quantos você pode encontrar? Você consegue identificar várias imagens da mesma galáxia de fundo? (Se alguém do grupo ficar realmente interessado, existe um projeto da Citizen Science chamado Spacewarps, onde você pode ajudar os astrônomos a identificar lentes gravitacionais em suas imagens: https://spacewarps.org. )
6. Você fica tão empolgado com a lente gravitacional que começa a falar sobre isso com um amigo inteligente que ainda não fez um curso de astronomia. Depois de ouvir você, esse amigo começa a se preocupar. Ele diz: “Se as lentes gravitacionais podem distorcer imagens de quasares, às vezes criando imagens múltiplas ou fantasmas do mesmo objeto, então como podemos confiar que qualquer ponto de luz no céu seja real? Talvez muitas das estrelas que vemos sejam apenas imagens de fantasmas ou imagens com lentes também!” Faça com que seu grupo discuta como responder. (Dica: pense no caminho que a luz de um quasar percorreu até nós e no caminho percorrido pela luz de uma estrela típica.)
7. O Large Synoptic Survey Telescope (LSST) de 8,4 metros, atualmente em construção no topo do Cerro Pachón, uma montanha no norte do Chile, examinará todo o céu com sua câmera de 3,2 gigapíxeis a cada poucos dias, procurando por objetos transitórios ou temporários que façam uma breve aparição no céu antes de desaparecerem de vista, incluindo asteróides e objetos do cinturão de Kuiper em nosso sistema solar, supernovas e outros eventos explosivos de alta energia no universo distante. Quando estiver totalmente operacional em algum momento depois de 2021, o LSST produzirá até 30 terabytes de dados todas as noites. (Um terabyte equivale a 1000 gigabytes, que é a unidade que você provavelmente usa para avaliar a capacidade do seu computador ou cartão de memória.) Com seu grupo, considere o que você acha que podem ser alguns desafios de lidar com essa quantidade de dados todas as noites de uma forma cientificamente produtiva, mas eficiente. Você pode propor alguma solução para esses desafios?
8. Os quasares são raros agora, mas eram muito mais numerosos quando o universo tinha cerca de um quarto de sua idade atual. A formação total de estrelas que ocorre em galáxias em todo o universo atingiu aproximadamente o mesmo desvio para o vermelho. Seu grupo acha que isso é uma coincidência? Por que ou por que não?
9. Uma forma de ver o quão bem as ideias em astronomia (como as deste capítulo) penetraram na cultura popular é ver se você consegue encontrar palavras astronômicas no mercado. Uma breve pesquisa na web pelo termo “matéria escura” revela uma marca de café e uma marca de “acelerador de crescimento muscular” com esse nome. Quantos outros termos usados neste capítulo seu grupo pode encontrar no mundo dos produtos? (O que é um tipo realmente popular de celular Android, por exemplo?)
10. Qual é o seu endereço completo no universo? Os membros do grupo devem escrever seu discurso completo, com base nas informações deste capítulo (e no restante do livro). Depois do código postal e do país, você pode adicionar continente, planeta, sistema planetário, galáxia, etc. Em seguida, cada membro do grupo deve explicar esse endereço a um membro da família ou estudante que não está cursando astronomia.

Perguntas de revisão

1. Como as galáxias distantes (jovens) são diferentes das galáxias que vemos no universo hoje?
2. Quais são as evidências de que a formação estelar começou quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos?
3. Descreva a evolução de uma galáxia elíptica. Como a evolução de uma galáxia espiral difere da de uma elíptica?
4. Explique o que queremos dizer quando chamamos o universo de homogêneo e isotrópico. Você diria que a distribuição dos elefantes na Terra é homogênea e isotrópica? Por quê?
5. Descreva a organização das galáxias em agrupamentos, do Grupo Local aos superaglomerados.
6. Qual é a evidência de que uma grande fração da matéria no universo é invisível?
7. Quando os astrônomos fazem mapas da estrutura do universo nas maiores escalas, como eles encontram os superaglomerados de galáxias a serem organizados?
8. Como a presença de um núcleo galáctico ativo em uma galáxia com formação estelar explosiva afeta o processo de explosão estelar?

Perguntas de reflexão

1. Descreva como você pode usar a cor de uma galáxia para determinar o tipo de estrelas que ela contém.
2. Suponha que uma galáxia formou estrelas por alguns milhões de anos e depois parou (e nenhuma outra galáxia se fundiu ou colidiu com ela). Quais seriam as estrelas mais massivas na sequência principal após 500 milhões de anos? Depois de 10 bilhões de anos? Como a cor da galáxia mudaria nesse período de tempo? (Consulte Evolução da Sequência Principal até Gigantes Vermelhos.)
3. Dadas as ideias apresentadas aqui sobre como as galáxias se formam, você esperaria encontrar uma galáxia elíptica gigante no Grupo Local? Por que ou por que não? Existe de fato um elíptico gigante no Grupo Local?
4. Uma galáxia elíptica pode evoluir para uma espiral? Explique sua resposta. Uma espiral pode se transformar em elíptica? Como?
5. Se virmos uma imagem dupla de um quasar produzida por uma lente gravitacional e conseguirmos obter um espectro da galáxia que está atuando como lente gravitacional, podemos então colocar limites na distância até o quasar. Explique como.
6. O painel esquerdo da foto em miniatura do Capítulo 27 mostra um aglomerado de galáxias amarelas que produz várias imagens de galáxias azuis por meio de lentes gravitacionais. Quais são as mais distantes — as galáxias azuis ou amarelas? A luz nas galáxias vem das estrelas. Como as temperaturas das estrelas que dominam a luz das galáxias aglomeradas diferem das temperaturas das estrelas que dominam a luz da galáxia de lente azul? Qual é a luz de qual galáxia é dominada por estrelas jovens?
7. Suponha que você esteja no centro de uma cidade grande e densamente povoada que seja exatamente circular, cercada por um anel de subúrbios com população de menor densidade, cercada por um anel de terras agrícolas. A partir desse local específico, você diria que a distribuição da população é isotrópica? Homogêneo?
8. Os astrônomos têm feito mapas observando uma fatia do universo e vendo onde as galáxias estão dentro dessa fatia. Se o universo é isotrópico e homogêneo, por que eles precisam de mais de uma fatia? Suponha que agora eles queiram fazer com que cada fatia se estenda mais longe no universo. O que eles precisam fazer?
9. A civilização humana tem cerca de 10.000 anos, medida pelo desenvolvimento da agricultura. Se o seu telescópio coleta luz estelar esta noite que viaja há 10.000 anos, essa estrela está dentro ou fora da nossa Via Láctea? É provável que a estrela tenha mudado muito durante esse período?
10. Dado que apenas cerca de 5% das galáxias visíveis no Campo Profundo do Hubble são brilhantes o suficiente para que os astrônomos estudem espectroscopicamente, eles precisam aproveitar ao máximo os outros 95%. Uma técnica é usar suas cores e brilho aparente para tentar estimar aproximadamente seu desvio para o vermelho. Como você acha que a imprecisão dessa técnica de estimativa de desvio para o vermelho (em comparação com a medição real do desvio para o vermelho a partir de um espectro) pode afetar nossa capacidade de criar mapas de estruturas de grande escala, como os filamentos e vazios mostrados na Figura\(28.3.8\) na Seção 28.3?

Descobrindo por si mesmo

1. Usando as informações do Exemplo\(28.3.1\) na Seção 28.3, quanto mais fraco um objeto você terá que ser capaz de medir para incluir os mesmos tipos de galáxias em sua segunda pesquisa? Lembre-se de que o brilho de um objeto varia conforme o quadrado inverso da distância.
2. Usando as informações do Exemplo\(28.3.1\) na Seção 28.3, se as galáxias forem distribuídas de forma homogênea, quantas vezes mais delas você esperaria contar em sua segunda pesquisa?
3. Usando as informações do Exemplo\(28.3.1\) na Seção 28.3, quanto tempo você levará para fazer sua segunda pesquisa?
4. As galáxias são encontradas nas “paredes” de enormes vazios; muito poucas galáxias são encontradas nos próprios vazios. O texto diz que a estrutura dos filamentos e vazios está presente no universo logo após o início da expansão, 13,8 bilhões de anos atrás. Na ciência, sempre temos que verificar se alguma conclusão é contrariada por qualquer outra informação que tenhamos. Nesse caso, podemos perguntar se os vazios teriam se enchido de galáxias em aproximadamente 14 bilhões de anos. As observações mostram que, além do movimento associado à expansão do universo, as galáxias nas paredes dos vazios estão se movendo em direções aleatórias a velocidades típicas de 300 km/s. Pelo menos algumas delas estarão se movendo para os vazios. Até onde uma galáxia se moverá no vazio em 14 bilhões de anos? É uma hipótese razoável que os vazios existam há 14 bilhões de anos?
5. Calcule a velocidade, a distância e o tempo de retrospectiva das galáxias mais distantes na Figura\(28.3.8\) na Seção 28.3 usando a constante de Hubble dada neste texto e o desvio para o vermelho dado no diagrama. Lembre-se da fórmula Doppler para velocidade\(\left( v = c \times \frac{\Delta \lambda}{\lambda} \right)\) e da lei de Hubble (\(v = H \times d\), onde\(d\) está a distância até uma galáxia). Para essas baixas velocidades, você pode negligenciar os efeitos relativísticos.
6. Suponha que a matéria escura esteja uniformemente distribuída por toda a Via Láctea, não apenas no halo externo, mas também por todo o bojo e no disco, onde vive o sistema solar. Quanta matéria escura você esperaria que houvesse dentro do sistema solar? Você esperaria que isso fosse facilmente detectável? Dica: Para o raio do halo de matéria escura da Via Láctea, use\(R\) = 300.000 anos-luz; para o raio do sistema solar, use 100 UA; e comece calculando a proporção dos dois volumes.
7. A caixa simulada de filamentos e superaglomerados de galáxias mostrada na Figura\(28.5.3\) na Seção 28.5 se estende por 1 bilhão de anos-luz. Se você fizesse um modelo em escala em que aquela caixa cobrisse o núcleo de um campus universitário, digamos, 1 km, então qual seria o tamanho da Via Láctea? A que distância estaria a galáxia de Andrômeda no modelo em escala?
8. Os primeiros objetos a colapsar gravitacionalmente após o Big Bang podem ter sido pedaços de galáxias do tamanho de um aglomerado globular, com massas ao redor das massas\(10^6\) solares. Suponha que você mescle dois deles juntos, depois mescle duas peças maiores, e assim por diante, no estilo Lego, até atingir a massa da Via Láctea, cerca de massas\(10^{12}\) solares. Quantas gerações de fusão seriam necessárias e quantas peças originais? (Dica: pense em poderes de 2.)