Uma galáxia anã tipo starburst com um berçário de estrelas. Imagem cortesia da UC RIVERSIDE
RIVERSIDE, Califórnia — Uma das principais predições do modelo corrente de criação de estruturas no universo, conhecido como Lambda Cold Dark Mattermodel, é que as galáxias estão inseridas em halos muito extensos e massivos de matéria escura que são, por sua vez, cercados por vários milhares de sub-halos menores, também feitos de matéria escura.
Em voltaa de grandes galáxias, tais como a via Láctea, esses sub-halos são grandes o suficiente para conter suficiente gás e poeira cósmica para formar pequenas galáxias próprias e algumas dessas companheiras galáticas, conhecidas como galáxias satélites, podem ser observadas. Essas galáxias satélites podem orbitar por bilhões de anos em torno da galáxia mãe, antes que aconteça uma fusão potencial. As fusões fazem com que a galáxia central adicione grandes quantidades de gás e estrelas, disparando violentos espisódios de formação de novas estrelas, conhecidos como starbursts, devidos ao excesso de gases trazidos pela companheira absorvida. O formato ou morfologia da galáxia mãe tamém pode ser perturbado pela interação gravitacional.
Halos menores formam galáxias anãs que, por sua vez, serão orbitados por sub-halos ainda menores de matéria escura, estes pequenos demais para encerrar gases ou estrelas. Esses satélites escuros são, portanto, invisíveis para nossos telescópios, mas aparecem prontamente nos modelos teóricos nas simulações em computadores. Para provar sua existência, é necessária a observação direta de sua interação com as galáxias mães.
Laura Sales, professora assistente da Universidade da California, Riverside, no Departamento de Física e Astronomia, colaborou com Tjitske Starkenburg e Amina Helmi, ambas do Instituto Astronômico Kapteyn na Holanda, para apresentar uma nova análise de simulações em computador, com base nos modelos teóricos, que estudam a interação de uma galáxia anã com uma satélite escura.
As pesquisadoras descobriram que, durante a aproximação máxima de uma satélite escura a uma galáxia anã, ela comprime o gás na anã por ação gravitacional, detonando episódios siginificativos de starbursts. Esses episódios de formação de estrelas pode durar por vários bilhões de anos, dependendo da massa, órbita e concentração da satélite escura.
Este cenário prediz que várias das galáxias anãs que podemos observar hoje em dia deveriam estar formando estrelas em uma taxa maior do que o esperado – ou deveriam estar experimentando um starburst – que é exatamente o que as observações de nossos telescópios encontram.
Além disto, da mesma forma que fusões entre galáxias mais massivas, a interação entre uma galáxia anã e a satélite escura produz perturbações morfológicas na anã, que podem modificar comletamente sua estrutura, de um formato comum de disco para um sistema elíptico/esférico. Este mecanismo também dá uma explicação para a origem de galáxias anãs esferoidais isoladas, um enigma que ficou sem solução por várias décadas.
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Os pontos vermelhos representam os dados observados; a maior parte deles tem formas alongadas e as galáxias maiores tendem a ter uma elipticidade maior. As regiões em cinza representam as distribuições prováveis segundo cálculos de simulações em computador. Quando duas galáxias estão muito próximas, podem parecer uma única galáxia alongada, como mostram as figuras menores nas laterais.
Imagem cortesia de Ehime University
Um grupo de pesquisadores, empregando o instrumento Suprime-Cam do Telescópio Subaru, descobriu cerca de 80 jovens galáxias que existiram no universo primordial, em torno de 1,2 bilhões de anos após o Big Bang. A equipe, que tem membros da Ehime University, Nagoya University, Tohoku University, Space Telescope Science Institute (STScI) nos EUA e do California Institute of Technology, fizeram então análises detalhadas dos dados imageados dessas galáxias obtidas pela Advanced Camera for Surveys (ACS) do Telescópio Espacial Hubble. Ao menos 54 dessas galáxias têm imagens que permitem resolução espacial nas imagens da ACS. Entre estas, 8 galáxias exibem estruturas com dois componentes e as restantes 46 parecem ter estruturas alongadas. Através de pesquisas subsequentes, empregando uma simulação em computador, o grupo descobriu que as estruturas alongadas podem ter essa aparência se forem duas ou mais galáxias bem próximas entre si.
Estes resultados são um forte indício de que, após 1,2 bilhões de anos após o Big Bang, os aglomerados de galáxias do universo jovem cresceram, para se tornarem grandes galáxias através de fusões, o que, por sua vez, provoca uma ativa formação de estrelas. Esta pesquisa foi realizada coo parte do programa do legado do Telescópio Espacial Hubble, “Cosmic Evolution Survey (COSMOS)”. A poderosa capacidade de pesquisa do Telescópio Subaru forneceu a base de dados essencial para os objetos do estudo sobre o universo primevo.
A Importância do Estudo das Galáxias Primevas
No universo atual, a 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, existem muitas galáxias como a nossa Via Láctea, que contém cerca de 200 bilhões de estrelas em um disco com cem mil anos luz de diâmetro. Entretanto, definitivamente não havia galáxias como ela pouco depois do Big Bang.
Essas aglomerações pré-galáticas parecem ter se formado no universo cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang. Elas eram nuvens de gás frio, muito menores do que as atuais galáxias gigantes (cem vezes menores), com massas menores (um milhão de vezes menores). As primeiras galáxias se formaram quando as primeiras estrelas nasceram nessas aglomerações de gás. Essas pequenas aglomerações galáticas começaram, então, a se fundir com aglomerações próximas e, eventualmente, formaram as grandes galáxias.
Muito esforço tem sido dispendido nessas buscas profundas para detectar galáxias ativas com formação de estrelas no universo jovem. Como resultado, já se sabe que as galáxias mais antigas ficam a mais de 13 bilhões de anos luz. Nós as vemos em uma época em que o universo tinha somente 800 milhões de anos (ou cerca de 6% de sua idade atual). Entretanto, uma vez que a mioria das galáxias do universo jovem eram bem pequenas, não se conseguiu estudar suas estruturas em detalhes.
A Exploração do Universo Primevo com o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Subaru
Enquanto o grande campo de observação do Telescópio Subaru desempenhou um papel importante em localizar essas jovens galáxias, a alta resolução espacial do Telescópio Espacial Hubble foi necessária para investigar os detalhes de seus formatos e suas estruturas internas. A equipe de pesquisas olhou para um ponto a 12,6 bilhões de anos no passado com uma abordagem por duas vias. O primeiro passo foi usar o Telescópio Subaru para uma busca profunda das galáxias primitivas e prosseguir com a investigação de seus formatos com a Advanced Camera for Surveys (ACS) a borod do Hubble. A ACS revelou que 8 das 54 galáxias tinham estruturas duplas, parecendo com a fusão de duas galáxias¹.
Então, apareceu a dúvida sobre se as outras 46 galáxias observadas eram mesmo galáxias individuais. Aqui, a equipe de pesquisa questionou quantas dessas galáxias exibiam formatos alongados nas imagens do Hubble. Isto porque tais aspectos alongados, junto com uma correlação positiva entre elipticidade² e tamanho, são um forte indício de que duas galáxias são tão próximas entre si que, com a atual resolução máxima da ACS, não se pode distinguir uma coisa de outra.
Para verificar se a ideia de galáxias próximas em um espaço apertado era viável, os pesquisadores usaram as assim chamadas simulações em computador de Monte Carlo. Primeiro, o grupo colocou duas fontes artificiais em posições aleatórias, com váris separações angulares, sobrepondo-as às imagens reais da ACS. Depois, o grupo tentou extrair as imagens com o mesmo método para as verdadeiras observações da ACS e mediu suas elipticidades e tamanhos.
A distribuição simulada bateu muito bem com os resultados observados. Ou seja, a maioria das galáxias vistas como uma fonte individual nas imagens da ACS poderiam ser mesmo duas galáxias em fusão. Entretanto, a distância entre duas galáxias em fusão é tão pequena que nem a alta resolução do Hubble consegue distingui-las!
Se a ideia for válida para galáxias que parecem ser individuais, é possível presumir que as galáxias com as maiores taxas de atividade tenham menor tamanho. Isso é uma decorrência de que tamanhos menores implicam em uma menor separação entre duas galáxias em fusão. Se for mesmo o caso, tais galáxias estariam passando por uma intensa fase de formação de estrelas causada pela própria fusão.
Por outro lado, algumas galáxias com os menores tamanhos são pares razoavelmente separados, porém o ângulo de visada as faz parecer que são apenas uma, ou são mesmo galáxias formadoras de estrelas isoladas. Estas têm basicamente o mesmo tamanho de galáxias grandes.
A equipe confirmou que a relação observada entre atividade de formação de estrelas e tamanho é consistente com a ideia aventada pela equipe.
Até agora, os formatos e as estruturas das pequenas galáxias foram investigados com a ACS no Hubble. Se a fonte tivesse sido identificada como única pela ACS, ela foi tratada como uma única galáxia e seus parâmetros morfológicos foram avaliados. Esta pesquisa sugere que uma tal galáxia pequena pode consistir de duas (ou, talvez, mais) galáxias tão próximas que não podem ser distinguidas mesmo pela grande resolução angular da ACS.
Olhando para o Futuro pelo Estudo do Passado
As teorias correntes de formação de galáxias prediz que pequenas galáxias no universo jovem evoluíram em grandes galáxias através de fusões sucessivas. A pergunta permanece: qual será o próximo passo nos estudos e observações dobre a formação de galáxias no universo jovem? Esta é uma fronteira que precisa dos futuros “super-telescópios”, tais como o Telescópio de Trinta Metros e o Telescópio Espacial James Webb. Eles permitirão as próximas descobertas no estudo da formação das primeiras galáxias e sua evolução.
Notas:
1. Um tamanho médio (ou seja, o diâmetro médio do círculo que engloba metade da luz total da galáxia) de galáxias individuais é de cerca de 5,5 mil anos luz. Uma distância média entre duas pequenas galáxias será de 13.000 anos luz.
2. A elipticidade é definida como 1 – b/a, onde a e b representam os raios maior e menor de uma elipse. No caso de um círculo, a elipticidade será igual a zero, já que a = b. Um formato mais alongado corresponde a uma maior elipticidade.
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Nesta representação, fora de escala, o mesmo deslocamento
aparente do lápis que você observa quando fecha alternadamente um dos olhos (a)
é observado pelos astrônomos em relação às estrelas no intervalo de seis
meses, quando a Terra atinge os pontos extremos de sua órbita. Observe que,
quanto maior a distância da estrela à Terra, menor o ângulo de paralaxe.
Coloque um lápis verticalmente 30 cm à
frente dos seus olhos, como mostra a figura a. Feche alternadamente cada um dos
olhos. Você vai notar que o lápis parece deslocar-se lateralmente para a
direita e para a esquerda (use como referência as coisas que estão atrás do lápis).
Esse deslocamento é chamado de paralaxe.
Observe que, à medida que você afasta o lápis, o deslocamento diminui,
ou seja, a paralaxe diminui à medida que o corpo se afasta dos pontos
de onde é observado, mas aumenta quando a distância entre os pontos de observação
aumenta. Assim, para observar a paralaxe de uma estrela, é necessário dispor de
instrumentos muito precisos. Por isso as observações são feitas no intervalo de
seis meses, quando a Terra atinge os pontos extremos de sua órbita. O ângulo
de paralaxe dá a medida relativa da distância entre a Terra e as estrelas:
quanto maior o ângulo, menor a distância e vice-versa (veja a figura b).
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Forças de coesão ou forças de adesão entre as partículas dos líquidos e as paredes dos recipientes que os contêm são nomes particulares, tradicionais, de interações eletromagnéticas.
Embora os átomos tenham o mesmo número de prótons e elétrons e por isso sejam eletricamente neutros, as moléculas que eles compõem, em geral, não o são. Isso ocorre porque as partículas eletricamente carregadas raras vezes se distribuem simetricamente em cada molécula. Em virtude dessa assimetria, grande parte das moléculas das substâncias são moléculas polares, originando regiões ou pólos com cargas elétricas opostas. A figura ao lado exemplifica essa afirmação com a representação esquemática da molécula de água.
Esse fenômeno, conhecido como polarização elétrica, será discutido nos capítulos de eletricidade. Por enquanto, é importante saber que a polarização elétrica é o fator determinante no aparecimento das forças de coesão e das forças de adesão.
Embora a molécula de água tenha no total o mesmo número de cargas elétricas positivas e negativas, ela não é eletricamente neutra, devido à distribuição assimétrica dessas cargas.
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A rigor o nome da grandeza densidade é massa específica, de "acordo com a publicação do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, de 1994.
No entanto, essa é uma denominação pouco usada e, a nosso ver, até inconveniente. O adjetivo específico significa, segundo o Dicionário Aurélio Eletrônico, "relativo a, ou próprio de espécie; exclusivo, especial".
Dessa forma, a expressão massa específica, embora tenha significado preciso e correto, pode levar à ideia de que existem diferentes espécies de massa, o que não é verdade. E utilizar o termo densidade, aplicado porém apenas a substâncias ou corpos maciços e homogêneos.
Densidade de corpo ou substância?
Como a maioria dos termos utilizados em física, a palavra densidade é empregada com muita frequência na linguagem cotidiana e de outras ciências, o que muitas vezes interfere na sua correta utilização em física. É muito comum, até em livros de física, falar em densidade de um corpo, o que não é correto. Corpo não tem densidade, no sentido que a física dá a essa grandeza. Qual a densidade de uma caneta, uma cadeira, um carro ou um navio?
É possível definir a densidade média de um corpo, mas é uma grandeza de pouca valia, pois se aplica apenas para aquele corpo. As tabelas de densidade se referem à densidade de substâncias. Não há, nem pode haver, tabelas para a densidade de corpos.
Portanto, embora no rigor da definição a densidade se confunda com a massa específica, temos que considerar que um navio boia, por exemplo, então significa que a "densidade relativa" do navio é menor que a da água. E ainda que densidade e massa específica tenham a mesma definição do ponto de vista da física e não exista uma tabela para "densidades relativas" com substâncias onde há misturas podemos claramente ver que sua densidade foi "adulterada", haja vista o "Eureka" dado por Arquimedes para poder verificar se a coroa do rei era composta puramente de ouro ou misturada com prata.
Embora, sempre procuremos o rigor físico (nós físicos odiamos quando alguém diz que pesa 80kg, ou tem a força etc.) não podemos nos refutar à aplicação prática de certos conceitos que foram "modificados pelo cotidiano" apenas para manter um rigor que não é adequado para resolver certos problemas. Então, para nós físicos temos sempre que traduzir o que "vocabulário do cotidiano" diz, por exemplo (quando ouvimos alguém dizer que pesa 80kg, traduzimos para 80kgf na Terra, quando diz que "tem a força" traduzir para ter a capacidade de aplicar uma força e quando diz que a densidade no navio é tal e por isso flutua, traduzimos que somadas todas as massas que compõem o navio e dividido pelo volume total do navio, isso é menos "denso" que a densidade da água ou massa específica desta, na qual ele boia)
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O mesmo princípio de física que faz com que tinta e lama rachem, funciona na formação dos corpos celestes de diversos tamanhos, afirma um professor de engenharia da Duke.
CRÉDITO DA IMAGEM: NASA
DURHAM, N.C. — Um teórico da Duke afirna que há uma boa razão pela qual os objetos no universo têm uma larga gama de tamanhos, desde as maiores estrelas, aos menores grãos de poeira – e que isso tem a ver com o modo como a tinha racha quando seca.
Em um artigo, publicado na edição de 01 de março de Journal of Applied Physics, Adrian Bejan, o Professor “J.A. Jones” de engenharia mecânica da Universidade Duke, explica como a necessidade de liberar tensões internas moldou o universo tal qual o vemos.
Muito embora fosse grande e espalhado de forma que nem podemos imaginar, o universo primitivo pode ser encarado como um volume finito de partículas em suspensão. E porque todo objeto no universo exerce uma força gravitacional sobre todos os outros objetos no universo, este volume tem uma tensão interna.
Era apenas uma questão de tempo para que as partículas começassem a se juntar para formar objetos maiores. Mas por que elas se juntaram formando objetos com uma tal variedade de tamanhos, em vez de uma maneira uniforme?
“Sabemos, a partir de nossa experiência com as coisas comuns que coisas com tensões internas tendem a se rachar e elas se racham instantaneamente em todos os lugares”, diz Bejan. “O exemplo mais simples é o da tinta que seca em uma parede. Na medida em que seca, ela encolhe, pondo todo o sistema sob tensão. E então, bum! Subitamente, de uma hora para a outra, ela se racha, liberando a tensão. E o padrão para esta liberação é hierárquico, o que significa: poucos pedaços grandes e muitos pequenos”.
Segundo Bejan, este padrão de liberação segue a Lei Constructal, proposta por ele em 1996. A Lei Constructal declara que qualuqer sistema em fluxo, quando permitido se modificar livremente ao longo do tempo, tenderá a ter uma arquitetura de fluxo mais fácil. Para rios, raízes e sistemas vasculares, isto significa uns poucos canais maiores com fluxos massivos, até pequenas ramificações de alívio. Para um universo jovem, com partículas puxando em todas as direções, isto significa que a tensão interna é liberada da forma mais rápida possível.
Com uma série de experiências teóricas e equações simples de física, o artigo de Bejan demonstra que a maneira mais rápida para liberar a tensão era através da formação de corpos em uma hierarquia. Ou seja, ele demonstra que, se todos os corpos se formassem com o mesmo tamanho, a tensão não seria liberada de maneira tão eficaz como quando se formam poucos corpos grandes, junto com vários corpos menores.
Exatamente como as rachaduras na pintura.
“Todo o processo de rachadura volumétrica é hierárquico. Nunca iremos observar uma rachadura uniforme”, afirma Bejan. “Na mecânica celeste, existe uma noção muito antiga de que os corpos coalescem e crescem devido à gravidade, o que, é claro, é correto. Crescimento é uma coisa, porém o crescimento hierárquico é outra que se chama natureza” “The physics origin of the hierarchy of bodies in space.” A. Bejan e R.W. Wagstaff. Journal of Applied Physics, 2016. DOI: 10.1063/1.4941986
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