Pergunte a Ethan: Por que as galáxias espirais são tão retorcidas?

Pense nos maiores objetos do céu noturno, cujas imagens você viu. Sim, é claro, eles são completamente diferentes - estrelas agonizantes, remanescentes de supernovas, formando estrelas nebulosas e aglomerados de estrelas, antigos e novos - mas nada supera a beleza das galáxias espirais. Contendo bilhões a trilhões de estrelas, esses "universos insulares" exibem uma estrutura única. A estrutura é bastante misteriosa, se você pensar sobre isso - como o leitor Greg Rogers pensou:

O que sempre me surpreendeu nas galáxias espirais foram as mangas enroladas em torno delas, não mais que metade da galáxia. Como a parte externa gira em torno do núcleo mais lentamente, seria de esperar encontrar galáxias cujos braços estão envolvidos muitas vezes ao redor do núcleo. O Universo não tem idade suficiente para aparecer tantas galáxias em turbilhão?

Considere as galáxias espirais que desejar, mas todas elas terão uma estrutura visível semelhante.















Vários braços em espiral se estendem para fora do núcleo central - geralmente de dois a quatro - envolvendo a galáxia à medida que se afastam do centro. Uma das fantásticas descobertas da década de 1970, que contradiziam as expectativas, era que a velocidade das estrelas em suas órbitas ao redor da galáxia não diminui à medida que elas se afastam do núcleo - como acontece com os planetas do sistema solar que viajam em órbitas. mais devagar, mais longe eles estão do centro. A velocidade de rotação das estrelas permanece constante - essa é outra maneira de dizer que as curvas de rotação das galáxias têm um perfil plano.



Medimos isso estudando as galáxias localizadas a nós pela borda e calculando o deslocamento vermelho ou azul que as estrelas mostram em relação à sua distância do centro da galáxia. E embora as velocidades de estrelas individuais praticamente não mudem, uma estrela localizada duas vezes mais distante do centro gira em torno dela duas vezes mais lenta e localizada dez vezes mais - dez vezes mais lenta.

Armado com isso, podemos calcular que, para uma galáxia como a Via Láctea, o Sol precisa de 220 milhões de anos para concluir uma revolução em torno da galáxia. Como estamos localizados a aproximadamente 26.000 anos-luz do centro da galáxia, nossa posição está um pouco mais perto da metade do centro da periferia. Isso significa que, como nossa galáxia tem cerca de 12 bilhões de anos, as estrelas externas tiveram que completar uma revolução completa apenas 25 vezes. Estrelas localizadas exatamente como o sol fizeram 54 voltas. Estrelas dentro de um círculo com um raio de 10.000 anos-luz já completaram mais de 100 revoluções. Em outras palavras, podemos esperar que as galáxias girem ao longo do tempo, como mostra o vídeo abaixo.



Mas, como mostram as fotografias das galáxias, elas não giram muitas vezes. Na maioria dos casos, as mangas nem sequer envolvem a galáxia uma vez! Quando essa propriedade das galáxias foi descoberta pela primeira vez, significava pelo menos o seguinte: esses braços espirais eram intangíveis, isso era apenas uma aparência. E é assim, independentemente de as galáxias estarem isoladas ou não. Mas há algo mais se você olhar de perto.



Notou manchas cor de rosa nas mangas? Eles aparecem onde existem regiões ativas da formação de novas estrelas. O ponto rosa é o excesso de luz emitida em um comprimento de onda muito específico: 656,3 nm. Essa radiação ocorre quando novas estrelas queimam de maneira brilhante o suficiente para ionizar gases e, quando os elétrons se reúnem com prótons, os átomos de hidrogênio recém-formados emitem luz com uma certa frequência, incluindo a que torna essas regiões rosadas.

Isso nos diz que esses braços espirais consistem em regiões nas quais a densidade do material é maior do que em outras partes da galáxia, e que as estrelas entram e saem livremente desses braços ao longo do tempo.

Uma ideia que explica isso existe desde 1964 e é conhecida como a teoria das ondas de densidade. A teoria afirma que as mangas permanecem nos mesmos lugares ao longo do tempo, assim como os engarrafamentos permanecem nos mesmos lugares. Objetos individuais (estrelas na galáxia, carros na estrada) podem se mover através deles, mas o mesmo número de objetos a qualquer momento sempre permanece no trânsito. Por esse motivo, a localização das áreas densificadas permanece inalterada.



A física do processo é simples: as estrelas em certas regiões criam as forças gravitacionais às quais estamos acostumados, e são elas que mantêm a forma espiral. Em outras palavras, se começarmos com uma região com maior densidade de gás e deixar o disco girar, obteremos o conjunto inicial de regiões onde as estrelas se formam pela primeira vez: proto-sleeves. Com a evolução da galáxia, esses braços - e regiões de maior densidade - são preservados apenas devido aos efeitos da gravidade.

Surpreendentemente, esse efeito também funciona na presença de matéria escura em torno da galáxia na forma de um halo gigante e na sua ausência.


À esquerda - uma galáxia sem matéria escura, à direita - com matéria escura

E embora as suposições da pergunta de Greg estivessem incorretas, uma vez que as estrelas externas da galáxia se movem na mesma velocidade que as internas, as mangas nunca se enrolam, independentemente da idade da galáxia - simplesmente por causa da física da própria galáxia. Como engarrafamentos, estrelas, gás e poeira presos em braços espirais em um determinado momento estão em um ambiente mais denso e, quando eles eclodem a partir daí, a distância entre eles e outras estrelas aumenta - nosso Sol está nesta posição hoje.

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