Descobrindo o Universo em
12 passos
Carlos Alexandre Wuensche
CIAA - 2003
Divisão de Astrofísica - INPE
Introdução
• Radiação eletromagnética: nosso único
meio de estudar objetos distantes...
• Quanto mais distante um objeto, “mais
fraca” é a quantidade de luz que
medimos na Terra.
• Como manter a noção de distâncias,
tamanhos e escalas no Universo?
• Compreensão das escalas  hierarquias.
Que régua usaremos?
• A velocidade da luz... Mas como?
• E, afinal, o que é um ano luz?
– 1 segundo luz = 300.000 (3x105) km
– 1 minuto luz = 18.000.000 (1,8x106) km
– 1 hora luz = 1.080.000.000 (1,1x109) km
– 1 dia luz = 25.920.000.000 (2,6x1010) km
– 1 ano luz = 9.460.800.000.000 (1x1013) km
Na nossa cidade...
Do estado para o continente...
Na órbita da Terra...
106 = 1.000.000 = um milhão
108 = 100.000.000 = cem milhões
Plutão e a vizinhança solar....
1010 = 10.000.000.000 = dez bilhões
1012 = 1.000.000.000.000 = um trilhão
Os braços da nossa Galáxia
1014 = 100.000.000.000.000 = cem trilhões
1016 = 10.000.000.000.000.000 = dez quatrilhões
O Grupo Local de galáxias...
1018 = 1.000.000.000.000.000.000 = um quintilhão
1020 = 100.000.000.000.000.000.000 = cem quintilhões
O Universo visível...
1022 = 10.000.000.000.000.000.000.000 = dez sextilhões
1023 = 100.000.000.000.000.000.000.000 = cem sextilhões
O BIG BANG: 1,3x1010 a. l.
Alguns fatos para começarmos ...
• A Astronomia depende, de forma crucial,
da determinação das escalas de distância!
• Notação científica: necessária devido ao
tamanho dos números envolvidos.
A escala de distância cosmológica
• O estudo da astronomia depende:
– do conhecimento da distância ao
objeto,
– da determinação do seu brilho
intrínseco,
– do estudo das propriedades da
radiação que chega até nós.
• Necessitamos “mapear a estrada
cósmica”, começando com a nossa
vizinhança.
A escala de distância cosmológica
• Como os astrônomos medem as distâncias
aos objetos extragalácticos?
• Naturalmente, o truque nesse processo é
ter certeza que escolhemos um critério
adequado para reconhecer que
observamos o mesmo tipo de objeto visto
na nossa vizinhança
A escala de distância cosmológica
• Com o “mapeamento da estrada cósmica”
surgem algumas questões interessantes...
– Por quê o Universo segue uma hierarquia de
distribuição de matéria, mas somente até um
certo ponto?
– Como saber se existe alguém fora da nossa
vizinhança cósmica?
OBJETO
Estrelas próximas
Aglomerado aberto
(Híades)
Aglomerados abertos
diversos
Cefeidas Clássicas
Estrelas RR Lirae
Aglomerados globulares
Cefeidas tipo II
MÉTODO
Paralaxe trigonométrica
Método de velocidade dos aglomerados
Ajuste da seqüência principal às Híades
Relação período-luminosidade calibrado
a partir das Cefeidas em aglomerados
abertos
Métodos estatísticos de calibração da
luminosidade
Estrelas RR Lirae como calibradores
padrão
Relação período-luminosidade calibrado
a partir das Cefeidas em aglomerados
As escalas
de
distância
no
Universo
RAIO
(METROS)
1026
1024
1023
1022
1021
1018
1012
1011
109
108
107
105
104
1
10-2
10-5
10-9
10-10
10-14
10-15
10-35
OBJETOS CARACTERÍSTICOS
Universo observável
Superaglomerados de galáxias
Aglomerados de galáxias
Grupos de galáxias
Nossa Galáxia (Via Láctea)
Nebulosas gigantes
Sistema Solar
Atmosfera exterior das estrelas gigantes
vermelhas
Sol
Planetas gigantes (Júpiter, p. ex.)
Estrelas anãs, planetas como a Terra
Asteróides, núcleos de cometas
Estrelas de nêutrons
Seres humanos
Molécula de DNA (eixo longo)
Células vivas
Molécula de DNA (eixo curto)
Átomos
Núcleos dos átomos pesados
Prótons e nêutrons
Escala de Planck; quantum de espaço
Nossa janela de observação
GALÁXIAS
Carlos Alexandre Wuensche
CIAA - 2003
Divisão de Astrofísica - INPE
Um pouco de história...
• Há 200 anos  distribuição ± uniforme
das estrelas no céu
• Primeira menção ao conceito de galáxia 
Emmanuel Kant (séc. XVIII)
• William Herschel  disco uniforme de
estrelas (séc. XVIII)
• Harlow Shapley  primeiras estimativas
corretas do tamanho da nossa Galáxia
(séc. XX)
Um pouco de história...
• Desde a antiguidade, a faixa de estrelas
destacada no céu recebeu atenção dos
povos que observavam o céu
regularmente:
– Em grego: galaxies kuklos
– Em latim: Via Lactea
– Em tupi: Caminho da Anta
A nossa Galáxias
• Constituintes: estrelas, gás e poeira
• Dimensões:
100000 anos luz de diâmetro
2000 anos luz de espessura
• Estrutura espiral, com um núcleo,
disco e halo
A estrutura da nossa Galáxia
Mas... como sabemos que ela é uma espiral?
A estrutura da nossa Galáxia
A formação dos
braços espirais
Nossa posição no Grupo Local
Nossa posição no Grupo Local
As populações estelares
População
I
População
II
Extremo
Intermed.
Extremo
Intermed.
Localização
Braços
espirais
Disco
Bojo
Halo
Metais
3%
1,6%
0,8%
< 0,8 %
Forma da
órbita
Circular
Ligeira//
elíptica
Moderada Extrema//
// elíptica elíptica
Idade
< 1x108
0,2 - 10x109 2 - 10x109 10-14x109
A produção dos elementos
Nossa Galáxia em diferentes
comprimentos de onda
A classificação das Galáxias
• Espirais
– Estrelas jovens e poeira no disco, estrelas
velhas no halo.
– Subdivisão em espirais normais e barradas.
– Constituem cerca de 30% da população
observada e 2/3 das espirais são barradas
– Não se conhece com precisão a origem dos
braços.
– Massa: 0,005 – 2 MGAL
– Diâmetro: 0,2 – 1,5 dGAL
– Luminosidade: 0,005 – 10 LGAL
Galáxias espirais

M51 - A galáxia do Redemoinho

M31 - Andrômeda
Galáxias espirais
A classificação das Galáxias
• Elípticas
– Estrelas mais velhas, pouca poeira.
– Não possuem uma “fronteira” bem definida.
– Constitui cerca de 60% da população
conhecida
– Possui uma grande variedade de massas e
tamanhos.
– Massa: 0,0001 – 50 MGAL
– Diâmetro: 0,01 – 5 dGAL
– Luminosidade: 0,00005 – 5 LGAL
Galáxias elípticas
(gigantes)
M86
M87
Galáxias elípticas
Galáxias elípticas
Parte
central do
aglomerado
de Virgem.


M86
M84
A classificação das Galáxias
• Irregulares
– Massa: 0,0005 – 0,15 MGAL
– Diâmetro: 0,05 – 0,25 dGAL
– Luminosidade: 0,00005 – 0,1 LGAL
Galáxias
Irregulares
Grande Nuvem de
Magalhães
Pequena Nuvem de
Magalhães
Tipos peculiares: as galáxias
S0
O diagrama de Hubble
A formação e a evolução
• Quando? Uns 800 milhões de anos depois da
criação do Universo (corresponde aos quasares
mais distantes observados, em redshifts da
ordem de 6).
• Participação principal da força gravitacional.
• Formação a partir de uma nuvem de hidrogênio e
hélio
• Após a formação, observa-se colisões dos mais
diversos tipos, fusão e destruição da estrutura
estável em grupos ou sistemas binários.
O esquema
de formação
M = 1016 MSol
M = 1011 MSol
Radiogaláxias e quasares
• Início das observações em rádio: década de
30
• Grande maioria delas associada a um objeto
também visível no óptico.
• A maior parte das radiofontes muito intensas
também visíveis no ótico são galáxias e
emitem milhões de vezes mais energia em
rádio que a nossa galáxia.
• O mecanismo responsável por essa enorme
geração de energia é chamado de emissão
sincrotron.
Uma “imagem” em rádio...
• Forma geral: estrutura “dupla” com a emissão
localizada principalmente nas extremidades,
separadas por centenas de milhares de anos- luz.
• Freqüentemente a região central é também uma
radiofonte que contém duas componentes
emissoras separadas por algumas centenas de
anos luz.
• Divisão:
– extensas (as estruturas externas)
– compactas (as regiões na própria
radiogaláxia).
Mapa em rádio de Cignus A, uma radiofonte clássica.
A imagem central representa o centro da emissão
óptica da galáxia peculiar associada a ela.
A associação óptica x rádio...
• As regiões
amarela e
vermelha são os
jatos emitidos na
faixa de rádio
(sincrotron). O
objeto óptico
encontra-se no
centro da figura
Quasares e AGNs
• Abreviações de “Quasi-Stellar Object” e
“Active Galactic Nucleus”
• Descobertos na década de 60, a partir da
análise espectral de objetos semelhantes
à estrelas
• Grande deslocamento das linhas
espectrais
Representação de um AGN
Mecanismo de emissão
Linhas de emissão
deslocadas
Posições originais
Hospedeiros de quasares
Imagem do HUBBLE DEEP FIELD
Simulações de interação
• InteraçãoVia-Lactea e Andromeda
– Início dentro de 3x109 anos
– Separação inicial: 2x106 anos-luz
• Interação de um aglomerado
– t ~ 10x109 anos
– 100 galáxias espirais
• Interação de um aglomerado
– Visão interna (viajante)
– Intersecção de 20 galáxias
Cortesia: J. Dubinski (CITA – [email protected])
A relação
redshift
x
distância
As flechas à
direita indicam o
deslocamento para
as linhas H e K do
cálcio.
As hierarquias
• Estrutura do Universo é
“hierárquica”
• Distribuição em pares,
grupos, aglomerados e
superaglomerados
• Última estrutura: parede
de galáxias a mais de 2
bilhões de anos-luz
• Além da “parede”,
provavelmente estamos
olhando para uma época
em que as galáxias ainda
não haviam se formado.
As hierarquias
As hierarquias