Olhando para o céu escuro da noite, você vê estrelas espalhadas em todas as direções. Pode haver mais algumas aqui do que lá, mas em geral, as estrelas estão distribuídas mais ou menos uniformemente no céu noturno.

No entanto, se você se encontrar em um ponto particularmente escuro, você verá uma faixa tênue de luz através do céu. E se você apontar um telescópio na direção dessa faixa, você verá muitas mais estrelas.

O cientista italiano Galileu Galilei foi o primeiro a fazer isso, confirmando assim a crença de mais de 2.000 anos de idade de que a faixa, que durante milênios foi chamada de ‘Via Láctea’ das galáxias kýklos gregas, consistia de inúmeras estrelas distantes.

A ideia começou a formar que o Sistema Solar estava localizado num tufo achatado de estrelas, porque ao olhar ao longo deste ‘disco’ vê-se uma abundância de estrelas, enquanto que menos são vistas quando se olha para longe do disco.

Para além das estrelas, foram vistas algumas manchas difusas que se pensava inicialmente estarem dentro da Via Láctea. As pessoas simplesmente acreditavam que a Via Láctea era tudo o que existia – era o Universo inteiro. No entanto, o filósofo alemão Immanuel Kant propôs que a Via Láctea era apenas o nosso Universo, enquanto as manchas felpudas – ou nebulosas – eram “universos insulares” distantes, distantes dos nossos.

Nesta época, tais pensamentos eram apenas especulações, mas com a introdução da câmera e dos grandes telescópios, os astrônomos perceberam, há apenas 100 anos, que nossa galáxia – que os universos insulares são chamados hoje – é apenas uma de um número aparentemente infinito de tufos de estrelas orbitando umas às outras e mantidas juntas pela força da gravidade.

Onde a distância entre estrelas dentro de uma galáxia é tipicamente de alguns anos-luz, as distâncias entre galáxias são medidas em milhões de anos-luz. Entre galáxias, não há basicamente nada – cerca de 1 átomo por metro cúbico.

As menores galáxias hospedam alguns milhões de estrelas, enquanto as maiores compreendem trilhões de estrelas. A Via Láctea, que pode ser considerada uma galáxia típica, contém algumas centenas de bilhões de estrelas.

Neste artigo, vou explicar o que é uma galáxia, do que ela é feita, e de que tipos diferentes existem. Em um artigo ScienceNordic subseqüente, veremos como as galáxias foram criadas em primeiro lugar.

De que são feitas as galáxias?

Cinco ou seis coisas podem ser apontadas como o bloco de construção das galáxias: estrelas, gás, poeira, buracos negros super-massivos, matéria escura e, talvez, planetas.

As estrelas, como descrito acima, são abundantes. As estrelas vivem por muito tempo, mas não para sempre. Ao esgotarem o combustível e morrerem, elas deixam para trás anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros.

Mas, embora em geral sejam as estrelas que nos permitem ver as galáxias, na verdade elas representam apenas uma pequena fração da massa total da galáxia.

As estrelas são feitas de gás, mas entre as estrelas – no chamado meio interestelar – reside também uma grande quantidade de gás.

Em pequenas galáxias, pode haver tanto gás interestelar quanto gás estelar, enquanto a fração diminui com o tamanho da galáxia.

O meio interestelar é dividido em diferentes fases. Algumas regiões são difusas e extremamente quentes, com temperaturas de milhões de graus. Nestas regiões, o gás é ionizado, o que significa que a maioria dos átomos tiveram um ou mais elétrons arrancados devido à alta temperatura.

Outras regiões são mais densas e mais frias, em torno de 10.000 K.

Quanto mais quente o gás é, maior a pressão, e mais se expande (este é o mesmo mecanismo que faz um balão de ar quente subir).

Conversamente, se o gás arrefecer consideravelmente (até cerca de 100 graus Kelvin, ou -170 °C), formam-se nuvens moleculares muito densas e frias. É aqui que se formam novas estrelas!

No Big Bang, praticamente só foram criados átomos de hidrogénio e hélio, sobre os quais escrevi mais no artigo The Big Bang – um relato de uma testemunha ocular.

Mas quando as estrelas queimam e morrem, elas devolvem parte de seu gás ao meio interestelar – só que agora ele está poluído com elementos mais pesados (que os astrônomos carinhosamente generalizam chamando-os todos de ‘metais’, embora possa soar discordante para os químicos).

Hoje cerca de 2% da massa total de gás foi transformada em metais, e cerca de um terço destes metais se aglomeraram como pó.

Planetas – uma fração insignificante da galáxia

Quando uma estrela nasce, um disco de gás e poeira se forma ao redor dela. A poeira pode se aglomerar, formando rochas que, por sua vez, fazem rochas maiores que podem eventualmente acabar como planetas.

No orçamento total de massa, os planetas desempenham um papel cada vez menor, mas provavelmente são necessários para a existência da vida, por isso são bastante excitantes no entanto.

Desde a descoberta dos primeiros planetas fora do nosso Sistema Solar há apenas 25 anos atrás, tornou-se evidente que a maioria das estrelas tem planetas. Sabemos agora de mais de 4.000 exoplanetas (ou seja, planetas que orbitam outras estrelas além do nosso Sol).

Buracos negros super expansivos e matéria escura

No centro da maioria das galáxias reside um ‘buraco negro super expansivo’. Esses buracos negros podem pesar milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol (em astronomia tudo é tão maciço que medir coisas em gramas ou quilos se torna impraticável, então em vez disso usamos massas Solares, que é aproximadamente o mesmo que dois bilhões de trilhões de quilos).

Gravidade sábia, sua contribuição é bastante insignificante em comparação com o resto da galáxia, mas por um tempo, o preto pode gerar um ‘núcleo galáctico ativo’, ou um quasar, que pode explodir uma parte substancial da matéria da galáxia da galáxia.

Por vezes estes quasares podem evacuar a galáxia de gás a tal ponto que ela apaga a formação de novas estrelas.

No entanto, o que ouvimos até agora só constitui cerca de 1/6 da massa total. A maioria da massa de uma galáxia é de fato algo completamente diferente, ou seja, matéria escura.

Matéria escura difere da matéria ‘normal’ na medida em que ela só interage gravitacionalmente. Isto significa que ela não é afetada por, nem exerce forças eletromagnéticas ou nucleares, então ela não pode emitir luz, e não pode colidir com outras coisas.

É exatamente porque ela não emite luz que nós a chamamos de matéria escura. Não podemos vê-la; apenas vemos o efeito que ela tem sobre as coisas que podemos ver, pois interage gravitacionalmente com a matéria luminosa.

A matéria normal pode esfriar e tornar-se uma galáxia densa, mas a matéria escura tem mais dificuldade em se aglomerar, e por isso está localizada em uma ‘auréola’ muito maior ao redor da parte visível da galáxia.

Assim, o que vemos como uma galáxia é na verdade, mas uma fração do que uma galáxia realmente é. Esta figura mostra as dimensões aproximadas dos componentes da Via Láctea.

Zoo da Galáxia

Galáxias vêm em uma variedade de formas e aparências, mas em geral, podemos organizá-las em três classes:

1. Galáxias espirais
2. Galáxias elípticas
3. Galáxias irlandesas

Todas estas classes têm subgrupos, e algumas galáxias são até um pouco catégorias de cavalos.

A aparência de uma galáxia é chamada de sua morfologia. Se quisermos estudar a evolução das galáxias, é prático classificá-las de acordo com seu tipo, mas muitas vezes, é um pouco subjetivo como você classificaria uma galáxia morfologicamente, já que não há limites claros entre os diferentes tipos.

Se você quiser ajudar astrônomos a classificar galáxias, você pode visitar galaxyzoo.org e nos ajudar a decidir.

Como no ano passado, os resultados deste astro-crowdsourcing levaram os astrônomos a rever o nosso entendimento de como os braços das galáxias espirais se comportam (veja este vídeo para uma revisão).

Mas vamos dar uma olhada mais de perto nos diferentes tipos de galáxias.

As magníficas galáxias espirais

Na minha opinião, as galáxias espirais são as mais bonitas. Caracterizadas por um ‘bulge’ central avermelhado e um número de braços espirais azuis deitados num disco plano, elas rodam majestosamente com períodos de alguns 100 milhões de anos.

Os braços espirais só seguram cerca de 2-3 vezes mais estrelas do que entre elas, mas como a formação activa de estrelas ocorre nestas regiões, elas são muito mais brilhantes. Como as enormes estrelas – que brilham com uma luz azul mas se apagam rapidamente – ainda estão por aqui, os braços parecem azuis.

A volta de dois terços das galáxias espirais têm uma estrutura em forma de barra que se estende a partir da protuberância. A barra é provavelmente uma espécie de onda de densidade, assim como os braços espirais, capazes de ‘sugar’ gás dos braços espirais circundantes, que pode então ser usado para novas estrelas.

Este gás também pode alimentar um buraco negro supermassivo no centro da galáxia, tornando-a num núcleo galáctico activo ou num quasar.

Gigantes do Universo: Galáxias elípticas

Galáxias elípticas são, acreditamos, o resultado da fusão de muitas galáxias menores (proto-). Durante estas colisões, a taxa de formação estelar primeiro aumenta dramaticamente e vemos uma ou várias ‘explosões estelares’.

A formação estelar violenta pode esgotar a maior parte do gás de uma só vez. A colisão em si, assim como os ventos estelares e as supernovas sopram o resto do gás, de modo que a formação de novas estrelas se torna difícil. Assim, apenas as estrelas velhas são deixadas, e como as estrelas velhas são avermelhadas, esta é a cor da maioria das galáxias elípticas.

Hence, esta chamada extinção deixa para trás uma galáxia vermelha e ‘morta’.

As maiores galáxias do Universo são elípticas, com massas até dez vezes maiores do que a da Via Láctea. Estes monstros galácticos residem frequentemente no centro de grandes aglomerados de galáxias, ou seja, colecções de centenas ou milhares de galáxias, mantidas juntas pela gravidade.

… e depois há todos os outros tipos de galáxias

algumas galáxias, em particular as mais pequenas, não são nem elípticas nem disquilhadas, mas têm uma forma completamente diferente. Estas galáxias são chamadas de galáxias irregulares.

A forma irregular é frequentemente devida a colisões, ou quase colisões, com outras galáxias.

As galáxias irregulares são tipicamente pequenas, já que galáxias maiores são mais bem equipadas para resistir ao tremor e agitação por outras galáxias.

Outro tipo é a galáxia lenticular, uma espécie de combinação entre elípticas e espirais: Elas exibem alguma estrutura espiral, mas também uma clara auréola elíptica.

Quanto maior e mais maciça for uma galáxia, menos comum ela é. A maioria das galáxias são assim galáxias anãs, que podem então ser categorizadas em espirais anãs, elípticas anãs, irregulares anãs, e galáxias esferoidais anãs.

Galáxias anelares têm uma protuberância igual a galáxias espirais, e uma estrutura em anel estelar maior. Elas podem ter sido formadas por outra galáxia voando diretamente através de uma galáxia espiral, mas são muito raras e, portanto, não muito bem estudadas.

Recentemente, astrônomos encontraram a até então mais distante destas estranhas galáxias com evidências de um ‘atropelamento e fuga’ cósmico ocorrendo há 11 bilhões de anos.

Como estes enigmáticos tufos de estrelas, gás, poeira e matéria escura foram criados em primeiro lugar é uma história mais longa, sobre a qual você poderá ler mais em um artigo de acompanhamento aqui em ScienceNordic.

Leia a versão dinamarquesa em Videnskab.dk’s Forskerzonen. Obrigado a Guarn Nissen por sugestões e edições durante minha tradução do texto de dinamarquês para inglês.

Perfil de Peter Laursen (Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague)

Peter Laursen’s homepage

‘The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

‘The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Mensthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

‘Galaxy Zoo: desenrolar o problema do enrolamento – observações de proeminência de espiral e ângulos de inclinação do braço sugerem que as galáxias espirais locais são sinuosas’, Avisos Mensais da Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

‘Tracing the Stellar Mass in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

‘A giant galaxy in the young Universe with a massive ring’, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7