ASTRONOMIA
EXTRAGALÁCTICA

Galáxias: ...objetos com aparência nebulosa esbranquiçados…!
Romanos --> Via - Láctea (caminho de leite)
Gregos --> Galáxia (leite)
Visão Histórica e Produção da Época
- 1610 : Galileu  1o a perceber que a VL era uma vasta coleção de *s individuais
- 1771 : Messier (M) c/ 45 objs (M31, M33)
- 1775 : E. Kant + Wright--> suspeitam de outros agreg. de *s --> ¨Universos Ilhas¨
- 1786 : W. Herschel --> General Catalogue (GC) c/ 1000 objs
- 1787 : W. Herschel --> *s não estavam distrib. ao acaso
Produção --> confecção de vários catálogos:
- 1850 : Parsons constrói o maior telesc. da época (Irlanda)  “resolve” p/ 1a vez a
estrutura espiral de algumas nebulosas  sugere que estes objs poderiam estar
rodando
- 1864 : J. Herschel --> amplia o GC (5000 objs)
- 1888 : Dreyer--> New General Catalogue (NGC) c/ ~ 7000 objs -->
2 extensões: IC (1895), IC (1908), com ~ 13.000 objs

… Telescópios já eram conhecidos no séc XVIII, ..mas não ¨resolviam¨ as
nebulosas...!

1912  Slipher verifica a presença de linhas espectrais desviadas
via Doppler em certo número destes objs

Os argumentos sobre a natureza destes objs  distancia e
tamanho
… alguns cientistas acreditavam que as “nebulosas” eram
 nuvens de gás dentro da Galáxia
…e outros
 existência de “Universos Ilhas” (Kant)
…ou seja, de natureza extragaláctica…
Grande Debate: não resolve a polêmica…!

1920  National Academy of Sciences, Washington

Shapley (Mte Wilson)  neb. eram objs da Galáxia
- m da nova em M31 (se o disco de M31 fosse tão gde qto ao da MW seu
tamanho angular seria de 3ox1o  d tão gde que a L de uma nova seria
muito maior que a encontrada na MW)
- Mto próprio de M101  alta rotação angular  se o D fosse ~ MW objs
próximos a borda teriam veloc. em excesso comparada c/ MW

Curtis (Lick Obs.)  sistemas externos
- argumentava que se as novas tivessem o mmo brilho intrínseco que as da
MW  deveriam estar a 150 Kpc de d…!
Edwin Hubble

1926: Hubble resolve a questão
 descobre Cefeidas variáveis
em Andrômeda (M31)
Via Telesc. Mte Wilson  mediu m de
algumas Cefeidas obteve M via
relação P-L  aplica a relação do
“módulo de distância”
m-M = 5logd – 5, d=285 Kpc
Portanto, confirma a existência
de outros sistemas de
galáxias…ASTRONOMIA
EXTRAGALÁCTICA
2 outras grandes contribuições: 1923-1936
Primeira: Interpretação dos deslocamentos das linhas
espectrais em galáxias  Expansão do Universo
Segunda: Morfologia de GALÁXIAS

Galáxias....
- Por definicão, são sistemas que compartilham bilhões de
estrelas com gás (ionizado e/ou neutro), poeira, campo magnético,
raios-cósmicos, luz emitida p/ estrelas, matéria escura (“darkmatter” gravitacionalmente ligados!
- Consideradas os constituintes fundamentais do Universo - ¨tijolos
do Universo¨
# Pto de vista macroscópico --> distrib. gde escala --> arq. Universo
- Existe pouca dúvida do pq elas existem: gravidade é responsável
- Estes sistemas são semelhantes na forma ? Existem diferentes
morfologias associadas as galáxias ? Pq ?
Sistemas de Classificação Morfológico
- Vários sistemas conhecidos  Morgan (58), van den Bergh (60), de
Vaucouleurs (63), Hubble – SCH (26 - 36) , conhecido também como Diagrama
¨Tuning-Fork¨ (D-TF): E, S, Lenticulares (SO), Irregulares (Irr)
Walter Baade

Mte Wilson Observatory

1944  Conferência do Vaticano  diferentes componentes das
galáxias, abrigam diferentes pop. estelares  conceito de
População Estelar

População da componente esferoidal  + velha, em média, que a
do disco  maior repres. de estrelas com abundâncias muito baixas
de elementos químicos pesados (C, O, N, Si, Mg, Fe)

População do disco  + jovem, com proporções maiores de
elementos pesados, ricas em metais

# Pto de vista microscópico --> const. interna
--> pop. estelares
Elípticas (E)
# 1 única componente com
morfologia elipsoidal
# Cor ~ cte  1 única pop.
estelar dominante (!!)
# Dif. graus de achatamento
(Eo --> E7)  e= 1-b/a
# Estrutura  via fotometria
# Pto de vista cinemático –>
primariamente dispersão de
velocidade anisotrópica
# Existe correlação entre
L~s4 (Lei de Faber Jackson)
# Distribuição de luminosidade
decrescente do centro p/ a borda
 perfil de distribuição de brilho: Lei
R ¼ ou Lei de de Vaucouleurs
I(R) = Ie exp {-7.67[(R/Re)1/4 – 1]} ,
Re  raio efetivo;
Ie  brilho superf. em Re
 A luminosidade L das E varia por
um fator de 107
 A Fção de L, f(L), que descreve o
número relativo de galáxias com
diferentes luminosidades, é
definida como sendo o número de
gal. com L no intervalo L + dL
dentro de uma unidade de volume,
descrita p/ uma aprox. analítica
conhecida como Lei de Schechter
f(L)dL = n* (L/L*)a exp (-L/L*)dL/L*
Diferenças entre morfologias iguais

E normais  gE’s, E’s, cE’s
108 < MEn <1013
-15 < MB< -23
~1 < D(Kpc) < 200
7< M/L(Mo/Lo) < 100
1< F (aglom. Glob.) <10
Espirais (1)
#
#
#
Várias componentes: bojo, disco, halo e
algumas vezes, barra --> bojo e halo c/
morfologia esferoidal; disco com
morfologia achatada contendo braços
espirais
Básicamente possuem 2 famílias:
ordinárias ou comuns (S) e as
barradas (SB ) - a barra é considerada
uma componente a mais, e se localiza
entre bojo e braços e é axisimétrica)
Estas famílias podem estar em
diferentes grupos, diferenciados
em relação a dimensão relativa do
bojo e grau de enrolamento dos
bracos
Sa --> Sb --> Sc
SBa --> SBb --> SBc
--------------------------------------------->
....ordem decrescente dos bojos
....ordem de braços mais desenrolados
Espirais (2)

Famílias interm. Sa, Sab, Sb,
Sbc, etc…(idem p/ barradas)

Leis de distribuição de brilho
 R1/4 p/ o bojo (~ E)
 exponencial p/ disco
I(r) = Io e –r/ro , ro raio característico
Io L extrapolada
# Comportamento cinemático vai
depender da componente:
bojos --> dispersão de veloc. ;
discos --> rotação
Irregulares

Irregulares (Irr):
# Morfologia s/ simetria de
rotação --> 2 tipos:
Irr I ~ magelânicas (cont.
Scs)
Irr II – forma irreg. s/ simetria
# Apresentam gdes qdes de
poeira....
Considerações importantes sobre o SCH ou D-TF

Se aplica bem a galáxias brilhantes

Hubble acreditava que as dif. morfologias poderiam estar
representando uma sequência evolutiva: E-->S … ou … S-->E
1. Brilho superf. E --> é muito >>> do que das S
2. Momento angular/área das S --> >> E
...incompatível c/ um cenário onde galáxias são formadas
como S e vão se transmutando em E...e vice-versa...
….ou seja, o SCH NÃO representa uma sequência evolutiva!
.…Outras considerações 
Pbs com o SCH
- SCH não é representativo de
todas as morfologias encontradas
em galáxias. Exs: cD’s, anãs de
baixo brilho superficial, peculiares
-Até mesmo p/ S não considera
peculiaridades entre diferentes
tipos de braços --> floculentas e
¨grand-- design¨
- Gal. foram classificadas de
acordo c/ razão axial aparente
- Ignora dicotomia entre Irr
normais e barradas
- Não pode ser aplicado, pelo
menos isoladamente, a galáxias a
altos ¨red-shifts¨
Apesar da incompleteza….o Diagrama de Hubble reflete,
simplificadamente, o comportamento de algumas
propriedades básicas de galáxias…, por ex…
1. MIS (gás + poeira): aumenta em direção as ¨late-type¨
E ----> So ----> S ----> Irr
Irr --> ~ 20-25%
S --> ~ 1-2 %
E --> muito menos...
2. Cor e Conteúdo Estelar
E ----> So ----> S ----> Irr
pop.+ vermelha ---------> nas comp. esferoidais e azul no disco
E-->Sa: cor ~ *s K ; Sb: *s cor ~ K e F ; Sc-->Irr: *s cor ~ A e F
3. Razão bojo/disco ---> diminui das Sa --> Sc
Quais as ordens de grandeza da M, D e L de
galáxias ?
Massa (MO)
ESPIRAIS
ELÍPTICAS
10 9 –>1012
106  1013
Diâmetro (Kpc)
5  50
Luminosidade (LO)
108  1011
1  200
106  1011
(~1038 < L < 1040 ergs.s-1 )
(LO ~ 1033 ergs.s-1 )
Respostas relativas a formação de galáxias
começaram a surgir somente na década de 60…!
- 1962 , Lynden Bell, Eggen, Sandage, estudando
cinemática de *s anãs verificam:
- *s de baixa metalicidade -->órbitas excêntricas,
pouco momento angular, ocupam várias alturas em
relação ao disco
- *s de alta metalicidade --> órbitas ~ circulares,
concêntricas no plano da galáxia
Cenário Monolítico
.... de formação de galáxias, que prevê 2
fases:
1a) Fase rápida --> escala de T~ 100
milhões de anos; responsável p/
formacão das componentes
esferoidais ---> forma *s + velhas; metálicas
2a) Fase lenta --> resp. p/ formacão do
disco--> forma *s + jovens; + metálicas
....este cenário parecia então
responder a pergunta deixada p/
Hubble, sobre a questão da
diversidade morfológica...,então,
E e S têm morfologias diferentes pq
dependem da eficiência de
transformação do gás em estrelas
…Entretanto…
Pbs com este cenário

Como explicar dif. entre idade e metalicidade nos aglom. globulares ?

Metade de tds as estrelas do halo tem rotação retrógrada, com Vrot. líquida
de 0Km/s..! …os estudos da cinemática de estrelas do halo e de
aglomerados parece sugerir que o meio ambiente local da MW era
turbulento e aglutinado

Variação na idade de componentes distintas da galáxia (disco fino velho e
jovem, disco espesso) ?

Existência de espirais “sem bojo” ?

Como interpretar as “regiões brilhantes” obs em bojos de galáxias pelo
telescópio espacial, indicando regiões recentes de formação estelar, no
contexto do Cenário Monolítico ?

…e os bojos retangulares ?
Avanços Tecnológicos

Fotometria:
# permite estudar a estrutura de
galáxias
# identificação de componentes
# distrib. e det. da Massa
# pistas sobre prop. dinâmicas e
evolutivas
# ML/Mescura (missing mass)
# evolução química
Fotometria CCD
CCD – Charge-Coupled Device Detectors
# déc 70  maior ef. quântica
 ampla faixa dinâmica
linearidade
maior sensibilidade


Pacotes de aplicativos (ex. IRAF)
Pbs até déc. 90  1 banda passante; mag.
Integrada e diâmetro…
Tratamento de Imagens (1)
Tratamento de Imagens (2)
Informações Estruturais
Avanços Científicos

Novos tipos de galáxias; melhores informações sobre as classes
mais conhecidas

Complexidade e inhomogeneidade nas E e SO:
- triaxialidade
- gde fração da E tem poeira
- classe da Eboxy, Edisk
- envelopes, discos fracos ou subestruturas
- núcleo com rotação retrógrada
- anéis de poeira
- anéis polares
- diversidade: cD’s (1Mpc; -23<MB<-25mg; 1013 < m < 1014 MO )
dE’s
dSph’s (extremo de baixa L)
BCD’s (muito azuis, 0.0<B-V<0.3)

…p/ as SO’s
- sempre foi controvertida
- detecção de gás neutro e ionizado, em algumas
- estudos fotométricos  bojo tem prop. interm. E e S
- estudos espectroscópicos e de cores  S sem gás
- SO  podem chegar até ai por diferentes vias…

Espirais (S)
- maiores avanços  braços  morfologia deles depende
diretamente de processos de instabilidade no disco (interna ou
externa)
- tendência s/ instabilidade  floculentos
c/ instabilidade  “grand design”
- ressonância: rings, barras,
- bojos retangulares e “peanut” (rotação cilíndrica)
Plano Fundamental

Relação Faber-Jackson p/ E’s 
L a sa
3<a<5

Esforço de melhorar o
espalhamento introd. 2o
parâmetro : re
 L a s0 2.65 re0.65 , então as
gal. são visualizadas em uma
superfície bi-dimensional em um
plano tri-dimensional,
representado p/ coordenadas L,
s0, re  plano fundamental (E,
bojos, etc)
Como explicar as morfologias “patológicas” ?

Galáxias são sistemas “sociais”  geralmente em grupos que variam na riqueza desde
pares  aglomerados  superaglomerados


Grupos  1 Mpc
Aglomerados  ~ alguns Mpc
Superaglomerados  ~ 50 Mpc e maiores….

Massas variam na escala de aglom. e superaglom. 10 15

--
10 16 MO

O conteúdo morfológico varia
dependendo da riqueza ou densidade
do aglomerado
# Agrupamento pobre  pred. de S
# Aglom. ricos  galáxias E no centro, e S
na borda
PQ ?

Como a dimensão das gal. é grande
comparada a distância entre elas
efeitos de maré são importantes 
canibalismo  Transmutação
Morfológica

Explicaria a segregação morfológica
alguns objetos peculiares que obs 
diferentes estágios de “fusão”

Poderia justificar dif. morf. E e S
(protogaláxias)  vínculos com
formação de galáxias

“Galáxias Ativas”  grupos densos
Aglom. hoje repletos de E  passado (4-5 bilhões de anos- 1/3 mais jovem) muitas S (?!)
Nurture & Nature
Grupo Local

Contêm da ordem de 30 membros
conhecidos  maioria anãs

Galáxias dominantes do grupo 
Andrômeda e VL (S)

Satélites da VL  Nuvens de
Magalhães (Irr) e SagDEG, Canis
Major Dwarf
Pq red ou blue-shift no GL ?
Grupos Densos e Ricos

Exs: Virgo, Coma, Hydra

Estruturas irregulares ou
regulares  estágio evolutivo do
aglom.

Estimativa da massa  gals indiv.
ou binárias; via gás
intraglomerado (R-XChandra)

Matéria Escura
Superaglomerados
- Universo em grande escala mostra
distribuição aparentemente
homogênea de hiperestruturas e vazios
com dimensões:
Estruturas ~~1 bilhão de a.l
Vazios  250 milhões de a.l
-
Gravidade  atração entre td e
qualquer matéria/energia  não
sabemos pq existe gravidade nem
entendemos completamente c/o a Fg é
exercida
# sabemos que ela é responsável por
coletar qdes absurdas de matéria em
vastos “continentes”, separados por
“vazios” comparáveis em dimensões
Mas… e a Evolução de Galáxias ?

Universo está em transição  evolução de gal. no passado (início)
era dominada por aglutinação hierárquica e fusões dominada p/
processos violentos e rápidos

Evolução no futuro  secular: rearranjo lento da energia e massa
que resultam de interações envolvendo fenômenos coletivos como
barras, discos ovais, estruturas espirais e halos escuros triaxiais

No momento  ambos processos são importantes…!

Evolução  entendimento da formação das componentes de
galáxias, em particular, os BOJOS
Estudo de bojos – um enfoque
alternativo para evolução de galáxias…

Componente associada a um esferóide circundado p/ disco

Prop. ~ E: morfologia, conteúdo estelar, cinemática, distrib. brilho,
etc…

Déc. 70  visão alterada: dif. prop. cinemáticas e estruturais
 bojos têm rotação mais elevada que Egig
 achatamento maior nos bojos
 Bojos retangulares (…Eboxy)

Busca de cenários alternativos… p/ melhor adequar obs e teoria
Cenários alternativos

3 atualmente propostos: Modelo de Ciclo Fechado, Modelo
Hierárquico e de Evolução Secular : diferenciam entre sí p/ época
de formação do bojo e disco

Bojo formado em época anterior ao disco + velho (CM, MCF,
MH)
- inconsistências: amplitude de metalicidades, *’s rot. retróg., etc…
- questão da destruição ou não do disco na fusão

Bojo formado quase que ao mesmo tempo do disco
- cen. hierárquico  acresção de anãs contribui p/ formação gradual do bojo
e disco, sem destruir o disco ant. existente
…Cenário Hierárquico  as 2 versões (disco novo e de mesma idade do
bojo) apresentam gde prob. de ocorrer, porém é preciso ter em mente
que as estatísticas de bojos com rot. retrógrada indicam poucos
casos  deve ocorrer, mas não é o cenário fundamental de formação
Cenário de Evolução Secular

Um cenário mais consistente

Ocorreria via instabilidades internas ou externas  barras

Série de efeitos e processos  alterar a evolução da gal.
- barras coletam gás p/ centro  geram novas estrelas 
provocam ressonâncias…transportam estrelas do disco p/ bojo 
espessam os discos  geram bojos retangulares

5% da Mtotal vai p/ centro  barras se dissolvem  provocam
novas instab.  barras recorrentes

Alimentaria o centro de galáxias com o gás  combustível p/
núcleos ativos

Previsões estão no momento sendo testadas do pto de vista obs

Concreto: 70 % da galáxias possuem barras “efetivas”
30 % possuem bojos retangulares
30 % possuem gradientes de cor no disco
Surtos de formação estelar obs em bojos (Hubble telesc.)
Forte correlação entre Ddisco x Dbojo  processos
responsáveis p/ formação destas componentes
estão vinculados
Similaridade entre cores de bojos e discos
Cinemática de bojos  rotação cilindrica
Sintetizando…
# Elípticas  não são tão simples
 mostram diversidade na estrutura, L, prop. Cinemáticas
# Bojos  gde heterogeneidade
 cores, metalicidade e idade
 os de alta L  ~ E; baixa L  S
 morfologia não parece seguir um único padrão
Os 3 cenários acima propostos parecem ocorrer e é preciso avaliar a
proporção com que cd um contribui p/ formação de bojos e conseq. das gal.
 as diferenças entre E e bojos parecem favorecer o Cenário Evolução
Secular
… o que colocaria o SCH em uma dif. perspectiva, menos dependente das
condições iniciais de formação  processos de instab. Poderiam modificar
a morfologia de galáxias
Peculiaridade na questão de emissão de
energia…Galáxias Ativas
...Pode-se dizer que essencialmente aparecem em 2 estados:
fundamental (1) e excitado (2)
(1) ou normais
--> ~1038 < L < 1040 ergs.s-1 
~ 105 < L < 1012 LO
lembrando que... (LO ~ 1033 ergss-1), e que esta L é de origem
básicamente térmica (*s + MIS) luz estelar, emissão
radiotérmica do gás (gás quente), emissão IR da poeira
aquecida do MIS
(2) excitado --> ~1044 < L < 1048 ergss-1
~ 1023 < L < 1038 LO
...de onde vem o adicional de energia...! ?
…Lembrar que galáxias com morfologia “normal” podem ser
“anormais” ou pouco comum do pto de vista da emissão de E
(2) Galáxias Ativas e Quasares

Emissão dominada por processos não
térmicos (rad. Síncroton)

Processos térmicos envolvendo E
muito altas


Núcleo muito pno (diam. angular < 1”)
Em placas fotográficas aparência
estelar

Linhas de emissão intensa alargadas
Seyfert
 Seyfert (1943) identifica 6 espirais visualmente com núcleo azul muito
brilhante, não usual, c/ l.e muito alargadas
 Grau de ionização representado p/ l.e indica um gás c/ T local tão alta
qto 1 milhão de K

rápida variabilidade em curto espaço de tempo (~dias)  tamanho da
região emissora é pno e emite gdes qdes de energia

Hoje ~ milhares conhecidas  encontram-se relat. próximas
0.003 < z < 0.06
 10% das Seyfert são também emissoras de rádio
 Sugere-se que este “adicional” de emissão esteja associado c/ Buraco
Negro ou gde concentração de estrelas no centro destas gal.
Radiogaláxias

São tipicamente Elípticas, frequentemente Eg em centros de
aglomerados

Parecem ter sido formadoas via fusão --> em geral c/ aparencia peculiar
como presença de jatos de gás ionizado (M87) ou cinturões de gás ou
poeira (Centauros A)

2 tipos: compactas (emissão vem do núcleo) e extensas – 75%
(emissão vem dos 'lobos')

Produção da radioemissão --> processo “Syncroton” (fortes campos
magnéticos onde partcs de altas energias – tipicamente elétrons, estão
se movendo a veloc. próximas a da luz..

Radioemissão, invariavelmente, não vem da galáxia visível, mas dos
pares de lobos situados em direção oposta a gal. visivel

Os lobos consistem de gás ionizado que são ejetados da galáxia central
em direções opostas
Quasares

1960 --> Sandage através das placas
Palomar obs objs extremamente azuis
com aparência estelar azul

Fortes emissores em rádio ...

São os mais L conhecidos no Universo
- emitem em 1 segundo....o que o Sol
emite em 200 anos --> 100 x mais
brilhante que a VL

Objs extremamente distantes c/
3 < z < 4 (mais próximo ~ 240 Mpc,
mais distante ~ 4700 Mpc, maioria 1000 Mpc)

O que seria responsável por tanta
emissão de E ?
- Caroço --> Buraco Negro
supermassivo c/ massas ~ 100 milhões
de MO
- Imensa produção de energia --> disco
de acresção ao redor dos BN
- Jatos de gás superaquecidos que vêm
do núcleo saem na direção do eixo de
rotação do disco de acresção
(a) Estes jatos são produzidos por
combinação de forças rotacional +
magnética
(b) Estes jatos são responsáveis p/
lobos radioemissores em galáxias
rádio, e em BL Lac
Uma Possível Sequência Evolucionária

Galáxias observadas hoje
que tem “núcleo ativo”
podem ser decendentes
de QSO's.......A atividade
central diminui qdo
quantidade de matéria
que cai no disco de
acresção também diminui

Possível seq. evolutiva ...
QSO's --> Sey-->
galáxias normais
QSO's --> rádio -->
galáxias E

Se estamos observando objetos a profundidades muito grandes,
estamos observando objetos que existiram enquanto o Universo
era ainda jovem ..então é possível que eles sejam os núcleos
de galáxias jovens, vistas a bilhões de anos atrás...

Algumas evidências sugerem que os QSO's se formaram na fase
inicial do Universo, a partir de “mergers” de galáxias jovens
- Colisões entre gal. era mais comum devido a maior densidade
do Universo na fase inicial de expansão
- Obs tem revelado frequência maior de colisões e “mergers”
entre galáxias muito distantes no início do Universo
Astronomia Extragaláctica
Astronomia Extragaláctica