Formação de Galáxias

O texto inicia descrevendo o início do universo com o Big Bang. Logo após este evento, o gás resultante apresentou zonas de maior densidade, que podem ter surgido por processos espontâneos. Essas sobredensidades foram cruciais para os estágios iniciais da formação galáctica. A partir dessas regiões de maior concentração de matéria, o gás e a poeira começaram a se contrair gravitacionalmente, um processo fundamental para o nascimento das primeiras estrelas. Este colapso gravitacional, impulsionado pelas flutuações de densidade, é a base para a compreensão dos mecanismos de formação estelar e, consequentemente, da formação de galáxias. A formação das primeiras estrelas é um marco importante, pois representa a transição de um universo primordialmente composto por gás e poeira para um universo com estruturas estelares complexas.

À medida que o gás e a poeira continuavam a se contrair sob o efeito da gravidade, começaram a surgir as nuvens protogalácticas, estruturas precursoras das galáxias que conhecemos hoje. Estas nuvens, ricas em gás e poeira, representam um estágio intermediário no processo de formação galáctica, onde a matéria começa a se agrupar em escalas maiores. No entanto, o texto enfatiza que as sobredensidades iniciais não são suficientes para explicar a formação de todas as galáxias, nem a sua diversidade de formas e tamanhos. A complexidade da formação galáctica exige a consideração de outros fatores e mecanismos, além da simples contração gravitacional originada a partir de pequenas flutuações de densidade no universo primitivo, abrindo caminho para investigações mais aprofundadas sobre as forças e processos envolvidos.

Um ponto crucial apresentado é a escala das galáxias em relação à distância entre elas. Contrariamente à ideia de 'Universos Ilhas', onde as galáxias seriam entidades isoladas e sem interação, o texto argumenta que as galáxias possuem tamanhos consideráveis comparados às distâncias que as separam. Essa observação implica na existência de interações gravitacionais entre elas, influenciando diretamente a sua evolução. A observação direta de galáxias interagindo comprova a realidade desses processos, desafiando modelos mais simplistas que não levam em conta a influência gravitacional mútua entre as galáxias. Essa interação gravitacional é um fator determinante nos processos de formação e evolução galáctica, e sua consideração é fundamental para a construção de modelos mais precisos e completos sobre a formação e evolução do universo.

A seção sobre colisões de galáxias destaca a natureza não-violenta das interações estelares durante esses eventos. Devido às imensas distâncias entre estrelas, mesmo em colisões galácticas, choques diretos entre elas são extremamente raros. A principal interação durante uma colisão é gravitacional. O texto descreve essa interação como 'fricção dinâmica', um processo que envolve a atração gravitacional entre um corpo (como uma galáxia anã ou um aglomerado) que se move através do gás e das estrelas de uma galáxia maior. Esse acúmulo de massa atrás do corpo em movimento cria uma força de resistência, semelhante a um atrito, diminuindo sua velocidade. A velocidade da colisão é um fator crucial; velocidades altas resultam em menos fricção dinâmica, podendo levar a uma passagem quase sem interferência entre as galáxias.

A fusão de galáxias é apresentada como uma etapa crucial na formação e evolução galáctica. Esse processo envolve a união de duas ou mais galáxias, resultando em uma troca significativa de massa e momento angular entre os corpos envolvidos. A fusão pode levar ao ganho ou perda de massa e momento angular em uma galáxia, alterando significativamente suas propriedades. É através da fusão que as galáxias podem evoluir, modificando sua estrutura e composição. A fusão desempenha um papel vital no ciclo de vida galáctico, modelando a estrutura e as propriedades das galáxias ao longo do tempo cósmico.

O fenômeno de Tidal Stripping, ou remoção de material por forças de maré, é explicado como um processo onde o campo gravitacional de uma galáxia afeta outra. Como as galáxias não são pontos, mas possuem tamanho e volume, elas sofrem efeitos de maré causadas pela gravidade de galáxias vizinhas. Se uma galáxia ultrapassa o seu tidal radius, um limite gravitacional que define a região onde o gás está ligado à galáxia, ela pode perder material, transferindo-o para a galáxia vizinha. Este processo de perda de material é consequência da interação gravitacional entre as galáxias e contribui para a sua evolução, afetando a distribuição de gás e a taxa de formação estelar. A compreensão do Tidal Stripping é essencial para modelos mais completos de interações galácticas.

Como um resultado possível das interações entre galáxias, o texto menciona as galáxias Starburst. Caracterizadas por uma taxa de formação estelar excepcionalmente alta (de 10 a 300 M☉/ano), essas galáxias demonstram uma intensa atividade de formação de novas estrelas, provavelmente desencadeada pela compressão e agitação do gás durante as interações ou fusões. Esse aumento significativo na taxa de formação estelar destaca a influência das interações galácticas na dinâmica interna dessas estruturas e seu papel na evolução das galáxias ao longo do tempo.

Um dos resultados possíveis da interação entre galáxias são as galáxias Starburst, caracterizadas por uma taxa de formação estelar extraordinariamente alta, variando entre 10 e 300 massas solares por ano. Essa intensa atividade de formação estelar sugere um processo energético impulsionado pela interação galáctica, seja através de colisões ou aproximações próximas. A alta taxa de formação estelar é um indicativo de um ambiente rico em gás e poeira, que é comprimido e ativado pela dinâmica gravitacional da interação, fornecendo o combustível necessário para a criação de inúmeras novas estrelas. Esses eventos de Starburst representam fases muito ativas na vida de uma galáxia, alterando drasticamente sua estrutura e composição em escalas de tempo relativamente curtas, em comparação com a vida média de uma galáxia.

A complexidade das interações gravitacionais em sistemas com múltiplos corpos, como os encontrados em galáxias, apresenta um desafio significativo para a astronomia. Atualmente, não existem ferramentas matemáticas analíticas capazes de resolver o 'problema de múltiplos corpos' com precisão para sistemas de muitas partículas interagindo simultaneamente. Para contornar essa limitação, os cientistas recorrem a simulações computacionais de alta performance, utilizando supercomputadores para modelar a evolução temporal desses sistemas. As simulações numéricas podem considerar as interações gravitacionais entre centenas de milhares de estrelas, gás, poeira e matéria escura, fornecendo uma aproximação da dinâmica complexa do sistema galáctico. Os resultados dessas simulações contribuem para a nossa compreensão sobre os processos de fusão de galáxias e sua evolução, revelando a influência de fatores como a matéria escura no tempo de fusão.

As primeiras simulações do problema de múltiplos corpos, como as realizadas pelos irmãos Toomre em 1972, utilizavam modelos simplificados com um número limitado de 'estrelas'. No entanto, simulações mais modernas incorporam um número muito maior de estrelas (cerca de 100 mil), além do gás, poeira, e matéria escura. Essa evolução na capacidade computacional permite que as simulações incluam um nível de realismo muito maior, representando melhor a complexidade dos sistemas galácticos. As simulações mostram que a matéria escura influencia o tempo de fusão de galáxias, acelerando o processo. Esses estudos sugerem que a fusão de galáxias contribui para a evolução final em direção a galáxias elípticas, uma das principais conclusões das simulações computacionais de múltiplos corpos.

O modelo atualmente mais aceito para explicar a formação da Via Láctea é o Modelo Hierárquico de Fusões, proposto por Searle e Zinn em 1978. Esse modelo postula que a Via Láctea se formou através da acumulação gradual de estruturas menores, em um processo de fusões sucessivas. As flutuações de densidade logo após o Big Bang desempenharam um papel crucial, criando regiões com maior concentração de matéria. Essas regiões mais densas se contraíram gravitacionalmente, formando estrelas e, em alguns casos, aglomerados globulares. Essas estruturas menores eram, na verdade, pequenas galáxias anãs, que posteriormente se fundiram para formar a Via Láctea que observamos hoje. O processo de fusão foi fundamental na construção da estrutura atual de nossa galáxia.

Logo após o Big Bang, ocorreram flutuações de densidade com magnitudes significativas, atingindo até 10¹² massas solares. Essas variações na densidade do universo primordial foram o ponto de partida para a formação de estruturas maiores, incluindo nossa galáxia. As zonas de maior densidade, mais massivas, atuaram como centros de atração gravitacional, atraindo matéria das regiões circunvizinhas menos densas. As regiões mais afastadas, com menor massa e metalicidade mais baixa, também foram atraídas para o centro, contribuindo para o crescimento da galáxia em formação. Este processo de atração gravitacional resultou na formação de uma estrutura complexa e hierárquica, com a acumulação de matéria ao longo do tempo cósmico.

O processo de formação da Via Láctea não foi estático. O disco galáctico, inicialmente mais espesso, sofreu mudanças ao longo do tempo. Partes do disco resfriavam-se, contraíam-se e formavam estrelas, reaquecendo-se e reexpandindo-se em um processo cíclico. Com a diminuição da densidade do gás devido à formação estelar, esse processo tornou-se menos intenso, resultando em um disco fino com uma escala de altura de aproximadamente 350 parsecs. Posteriormente, formou-se o disco espesso, com uma escala de altura de cerca de 600 parsecs. O gás remanescente, mais enriquecido com metais, contribuiu para a formação de estrelas no bojo da galáxia, possivelmente impulsionado por fusões recentes com galáxias satélites ricas em gás. A barra central parece facilitar a migração de material para o centro da galáxia. Finalmente, o gás restante contraiu-se para formar o atual disco de gás e poeira da Via Láctea, com uma escala de altura de aproximadamente 100 parsecs.

O texto aborda a formação de galáxias elípticas, sugerindo duas possibilidades principais. Muitas galáxias elípticas podem ter se formado a partir de um colapso gravitacional semelhante ao que originou as galáxias espirais, com a diferença crucial da ausência de gás residual suficiente para a formação de um disco. Já as elípticas gigantes são provavelmente o resultado de fusões de galáxias espirais, um processo que pode ser observado em simulações de colisões de múltiplos corpos. Esse processo de fusão explica a morfologia e as características das galáxias elípticas gigantes, destacando a importância das interações galácticas em sua formação e evolução. A ausência de um disco proeminente nas elípticas é atribuída à ausência de gás remanescente após a formação estelar inicial, ou à sua dispersão durante o processo de fusão.

As galáxias cD são apresentadas como o resultado extremo do processo de fusão galáctica. São galáxias gigantes, localizadas nos centros de aglomerados de galáxias, com tamanhos que podem alcançar até 1 megaparsec e massas centenas de vezes maiores que a da Via Láctea. Sua formação está intrinsecamente ligada à história de fusões sucessivas de galáxias menores. A alta velocidade orbital de seus núcleos múltiplos (cerca de 1000 km/s, em comparação com a velocidade das estrelas na Via Láctea, que é de aproximadamente 300 km/s), reforça a dinâmica energética das fusões que levaram à sua formação. Estas galáxias representam um estágio evolutivo avançado, fruto de uma longa história de interações gravitacionais e fusões no ambiente denso de um aglomerado de galáxias.

A seção sobre galáxias ativas descreve um grupo de galáxias com núcleos galácticos extremamente ativos, designados como AGNs (Active Galactic Nuclei). Apesar de apresentarem grande diversidade de formas e cores, um modelo unificado sugere que a atividade é causada por um buraco negro supermassivo no núcleo. A atividade desses núcleos é intensa, com um único quasar podendo emitir entre 100 e 1000 vezes mais luz que uma galáxia inteira como a Via Láctea, com seus 100 bilhões de estrelas. Os diferentes tipos de galáxias ativas, como quasares, rádio-galáxias e galáxias Seyfert, são discutidos brevemente, destacando suas características espectrais e morfológicas distintas, todas relacionadas à presença e atividade de um buraco negro supermassivo central.

Ao contrário da maioria das galáxias que se afastam da Via Láctea devido à expansão do universo, a galáxia de Andrômeda apresenta um movimento excepcional: um blueshift, indicando que está se aproximando de nossa galáxia. Essa aproximação não é um evento distante; trata-se de um encontro inevitável que moldará o futuro da Via Láctea. Esta observação destaca a dinâmica complexa do grupo local de galáxias, onde as forças gravitacionais entre as maiores galáxias superam a expansão cósmica, levando a um encontro próximo. A proximidade de Andrômeda e a Via Láctea, duas das maiores galáxias do Grupo Local, predispõe a uma interação gravitacional significativa, um evento que irá redefinir a estrutura e o ambiente galáctico da região.

Espera-se que, em aproximadamente 4 bilhões de anos, ocorra uma colisão entre a Via Láctea e a galáxia de Andrômeda, duas das maiores galáxias do Grupo Local. Esta colisão não será um evento de destruição total, mas sim um processo de fusão, resultando na formação de uma galáxia elíptica gigante. As simulações computacionais sugerem que as fusões galácticas podem produzir galáxias elípticas. O resultado dessa colisão será uma galáxia com uma forma e composição diferentes das galáxias originais. A fusão irá misturar o gás, as estrelas e a matéria escura das duas galáxias, criando uma nova estrutura galáctica com características únicas e diferentes das galáxias progenitoras.