Uma galáxia é uma estrutura astronômica contendo milhões a bilhões de estrelas, gás e poeira unidos pela gravidade. Curiosamente, não há uma definição consensual do que é uma galáxia. Mesmo com a definição fornecida acima, não há distinção entre uma galáxia e um grande aglomerado de estrelas. Para o propósito desta discussão, consideraremos o fator definidor de uma galáxia como a existência de múltiplas gerações de estrelas, principalmente porque isso é algo que os aglomerados de estrelas geralmente não têm. Assim, podemos definir uma galáxia como um objeto astronômico que contém milhões a bilhões de estrelas de múltiplas gerações, todas elas unidas pela gravidade.
Galáxias e o Grande Debate
Menos de um século atrás, nossa visão do universo era radicalmente diferente do que é hoje. Antes do final da década de 1930, era amplamente aceito que o universo era composto de nada mais do que a galáxia da Via Láctea e as estrelas e planetas contidos nela. O resto do universo era infinito e estático em sua extensão. Hoje, no entanto, nossa imagem do universo é muito diferente disso. Agora sabemos que o universo não é estático e que é, de fato, o lar de centenas de bilhões, talvez até trilhões, de galáxias individuais. Essa visão do universo veio à tona pela primeira vez no final da década de 1920, quando o astrônomo Edwin Hubble fez uma descoberta notável usando o Observatório Mt. Wilson. Usando o que era um dos telescópios mais avançados da época, Hubble procurou determinar a distância até o que se acreditava serem nebulosas estelares. Nebulosas são vastas regiões de material formador de estrelas que existem por toda a Via Láctea. Antes da década de 1920, os astrônomos pensavam que o que hoje conhecemos como galáxias distantes eram nebulosas dentro da Via Láctea. As nebulosas nas quais Hubble estava interessado eram um assunto de intenso debate na astronomia, pois diferentes grupos de astrônomos debatiam o que precisamente esses objetos eram. Conhecido como o “Grande Debate”, os astrônomos discutiam se algumas dessas nebulosas distantes eram ou não outras galáxias ou regiões de formação de estrelas dentro da Via Láctea. A maioria dos astrônomos acreditava que eram nebulosas distantes contidas dentro da Via Láctea, mas Hubble procurou descobrir de fato.
O tamanho da nossa galáxia era relativamente conhecido na época, então tudo o que o Hubble precisava fazer era determinar a que distância alguns desses objetos estavam. Se eles se estendessem além do tamanho conhecido da galáxia, eles deveriam ser objetos fora da galáxia e, portanto, outras galáxias em si mesmas. Parece bem simples, certo? Mas não é tão fácil quanto parece. Saber a que distância algo está na astronomia é algo que a maioria de nós toma como certo. Nem sempre foi fácil. Na década de 1920, determinar a que distância algo usava principalmente o método de paralaxe. O problema com a paralaxe é que ela não permite determinar distâncias além da Via Láctea. Se esses objetos estivessem fora da galáxia, eles poderiam estar a milhões de anos-luz de distância. Uma nova técnica era necessária, e o Hubble encontrou exatamente o que procurar.
Em astronomia, você pode relacionar brilho e distância matematicamente, e então se você conhece um, você pode determinar o outro. Mas como você determina o brilho? Há uma diferença entre o quão brilhante algo é versus o quão brilhante ele parece ser. Por exemplo, imagine colocar uma lâmpada de 5 watts a um pé na sua frente e uma lâmpada de 8 watts a um quilômetro na sua frente. Para você, a lâmpada de 5 watts é mais brilhante. No entanto, ela só parece mais radiante porque está mais perto de você. Esse tipo de brilho é chamado de magnitude aparente. Se você pudesse medir seu brilho real, chamado de magnitude absoluta, você descobriria que, apesar da aparência, a lâmpada mais distante é, de fato, mais brilhante. Isso torna difícil determinar distâncias no espaço porque uma estrela brilhante pode estar mais perto ou mais longe e emitir mais energia. Como existem vários tipos diferentes de estrelas, isso torna tudo ainda mais difícil. No entanto, o Hubble usou um tipo único de estrela para determinar a distância. Esses tipos de estrelas são chamados de variáveis cefeidas, e podem mudar rapidamente sua produção de energia e brilho. No entanto, essas mudanças são consistentes e regulares, permitindo que os astrônomos determinem seu brilho absoluto a grandes distâncias. Essas estrelas permitiram que Hubble determinasse a distância até a Nebulosa de Andrômeda , que ele determinou ser em torno de dois milhões de anos-luz. Isso a colocou bem fora da Via Láctea e, portanto, não poderia ser uma nebulosa. Em vez disso, Hubble descobriu que a Nebulosa de Andrômeda era, de fato, a Galáxia de Andrômeda. Nossa imagem do universo mudou para sempre. Em um curto período de tempo, nossa visão do universo mudou de um pequeno universo estático contendo apenas uma galáxia para um universo que poderia ser infinito em sua extensão e abriga centenas de bilhões de outras galáxias. A descoberta do nosso lugar no universo é muito recente. Foi uma descoberta que mudou quase tanto a perspectiva quanto a descoberta de que a Terra é apenas um planeta em órbita ao redor de uma estrela que é uma das muitas em uma galáxia gigantesca. O universo passou de finito para infinito em questão de anos. A astronomia e a ciência mudaram para sempre.
Galáxias espirais
As galáxias vêm em uma grande variedade de formas e tamanhos. Como flocos de neve, cada galáxia é única em sua maneira. Existem quatro tipos diferentes de galáxias: espiral, elíptica, irregular e anelar. Dentro de cada um desses grupos, também existem subgrupos. Por exemplo, galáxias espirais são divididas em espirais normais e espirais barradas. Nossa galáxia natal, a Via Láctea, é uma galáxia espiral e, portanto, espirais são provavelmente o tipo mais familiar de galáxia para a pessoa em geral. Galáxias espirais são o tipo mais comum de galáxia no universo, com espirais compreendendo cerca de 70% de todas as galáxias conhecidas.
Galáxias espirais são uma das visões mais brilhantes da natureza. Quando observadas por um pequeno telescópio, elas aparecem como grandes discos nublados, e você provavelmente não seria capaz de dizer a diferença entre uma galáxia e uma nuvem. Com telescópios maiores, no entanto, seu verdadeiro brilho aparece. A maior parte do que se sabe sobre galáxias espirais vem de observações de nossa galáxia, a Via Láctea. Infelizmente, não podemos discernir o formato de nossa galáxia porque existimos dentro da Via Láctea. A partir de observações de outras galáxias espirais, sabemos que a Via Láctea também deve ser uma espiral devido às características físicas comuns entre todas as espirais. Isso inclui uma protuberância central de estrelas cercada por um disco de estrelas, vastas quantidades de material formador de estrelas e o movimento das estrelas dentro da galáxia.
Como exatamente a galáxia espiral se forma? Como um grupo de bilhões de estrelas acaba em um formato tão impressionante? A espiral complexa é uma das criações mais belas da natureza. Tudo o que você precisa é de tempo e física, junto com muitas estrelas. Todo o material em uma galáxia espiral orbita ao redor do centro galáctico. Antigamente, presumia-se que o formato espiral era criado porque as estrelas mais próximas do centro galáctico orbitavam mais rápido do que as mais distantes. Isso acabou não sendo o caso, embora algo semelhante tenha acontecido. Em vez de diferenças na velocidade estelar serem a causa, acontece que os próprios braços espirais giram em velocidades variadas. Quando um material é trocado entre braços espirais, como material de movimento rápido se movendo para um braço de movimento lento, ele atinge uma parede e desacelera. Isso pode comprimir o material estelar, levando a uma onda de formação de estrelas. As estrelas são mais densas do que as nuvens de gás e, portanto, se movem mais lentamente do que o material ao redor. Com o tempo, o material estelar se move à frente das estrelas e se comprime, formando mais estrelas e continuando o processo. Essas diferenças em velocidade e trocas de material criam e mantêm as estruturas espirais dessas magníficas galáxias. No entanto, não é por isso que a galáxia se torna uma espiral. Os braços espirais em si contêm uma densidade de material muito maior do que outras regiões, então quando gás e poeira passam para uma região de alta densidade, eles se comprimem e formam estrelas. Curiosamente, os braços em si se movem mais lentamente do que o material dentro deles. Essas mudanças na densidade criam ondas de densidade que se propagam pela galáxia e criam uma forma espiral.
Galáxias Irregulares
Galáxias irregulares vêm em dois tipos: Tipo 1 e 2. A principal diferença entre elas é o quão semelhantes elas são às galáxias espirais. As irregulares do tipo 1 tendem a ter uma forma que lembra espirais. Como as galáxias espirais, elas têm uma protuberância central de estrelas junto com um disco relativamente plano ao redor dessa protuberância. Ao contrário das espirais, as irregulares do tipo 1 não são muito simétricas e geralmente terão formas irregulares e assimétricas. Acredita-se que as irregulares do tipo 1 já foram espirais e provavelmente foram deformadas durante uma colisão galáctica. À medida que duas ou mais galáxias se aproximam, a atração gravitacional entre elas distorce sua forma, transformando o que antes era uma galáxia espiral em uma galáxia irregular do tipo 1. As irregulares do tipo 2 não têm forma discernível ou definida. Ao contrário das irregulares do tipo 1, elas têm semelhança mínima com espirais, mas também provavelmente foram formadas durante uma colisão galáctica. É possível que, durante uma colisão galáctica, uma galáxia espiral evolua para uma irregular tipo 1 e depois para uma irregular tipo 2 ao longo de muitos milhões de anos.
Curiosamente, a maioria das galáxias irregulares são relativamente pequenas, com uma média de cerca de 10 bilhões de estrelas cada. Embora pareça um número enorme, ele representa apenas cerca de 10% das estrelas em nossa Via Láctea. Seu número relativamente pequeno de estrelas também torna as irregulares um tanto fracas em comparação com outras galáxias, com apenas cerca de 10% das galáxias mais brilhantes sendo irregulares.
Galáxias Elípticas
Costuma-se dizer que se você vê uma galáxia elíptica, você viu todas elas. Isso ocorre porque, diferentemente de espirais e irregulares, as galáxias elípticas geralmente só vêm em um formato. Cada galáxia elíptica parece um vasto feixe de estrelas em forma de ovo. Sua forma relativamente opaca pode fazê-las parecer desinteressantes, mas nada poderia estar mais longe da verdade. Suas formas podem não ser únicas, mas as galáxias elípticas são as maiores galáxias do universo. A maior galáxia conhecida é uma galáxia elíptica conhecida como IC 1101. IC 1101 é um gigante, medindo mais de seis milhões de anos-luz de diâmetro e mais de 100 trilhões de estrelas em massa. IC 1101 é três vezes maior do que a distância entre a Via Láctea e Andrômeda. Como exatamente uma galáxia cresce até um tamanho tão imenso? Simplesmente absorva todas as outras galáxias ao seu redor. Cada grande galáxia elíptica provavelmente passou por inúmeras fusões galácticas ao longo de bilhões de anos, permitindo que crescessem até tamanhos imensos. A maioria das galáxias elípticas provavelmente nasceu após uma fusão entre duas ou mais galáxias espirais.
Curiosamente, a maioria das características físicas de uma galáxia elíptica pode ser explicada por fusões galácticas. Além de sua forma, as fusões galácticas explicam por que as galáxias elípticas são em sua maioria desprovidas de material formador de estrelas. Durante uma fusão galáctica, as forças gravitacionais farão com que a maior parte do material formador de estrelas de uma galáxia forme uma vasta multidão de estrelas. O processo pode durar milhões de anos e, quando terminar, a galáxia terá usado a maior parte de seu material formador de estrelas. As estrelas mais massivas a se formarem se tornarão supernovas em menos de cem milhões de anos e, assim, eventualmente, uma galáxia elíptica fica com nada além de estrelas vermelhas de pequena massa.
Galáxias em anel
Galáxias em anel são talvez as mais peculiares de todas as galáxias. Cada galáxia em anel tem uma protuberância central cercada por um halo de estrelas e nebulosas. A região localizada entre as áreas central e externa é aparentemente vazia. A maioria das galáxias em anel tem uma aparência que lembra galáxias espirais. Isso não é coincidência. A maioria das galáxias em anel provavelmente eram galáxias espirais em algum momento de sua existência. Ocasionalmente, algumas dessas galáxias espirais colidiam em uma orientação intrigante. Quando duas galáxias espirais colidem, e uma passa diretamente pelo centro da outra, a influência gravitacional da galáxia que passa empurra o material para fora, formando um halo ao redor de uma protuberância central. Esse processo também causa uma onda de formação de estrelas, resultando no halo externo contendo uma abundância de estrelas jovens e de alta massa.
Fusões Galácticas
À medida que o universo se expande, a maioria das galáxias se afasta umas das outras. No entanto, em alguns casos, as galáxias podem se aproximar e interagir. Quando duas ou mais galáxias se aproximam muito uma da outra, elas começam a se fundir em um dos eventos mais violentos e espetaculares do cosmos. Uma das observações mais aparentes de galáxias se fundindo é sua forma distorcida devido às forças gravitacionais extremas. Em galáxias espirais, os braços espirais podem se esticar e distorcer conforme a gravidade da outra galáxia os estica. Uma fusão galáctica típica pode durar centenas de milhões de anos e, no processo, as duas galáxias podem se tornar irreconhecíveis em comparação com suas formas anteriores. Os modelos atuais preveem que a colisão de duas grandes galáxias espirais dá origem a uma galáxia elíptica maior, quase desprovida de material formador de estrelas.
Curiosamente, quase todas as galáxias elípticas contêm pouco ou nenhum material formador de estrelas, enquanto as galáxias espirais são ricas em berçários estelares. As fusões galácticas ajudam a explicar essa observação. Durante uma fusão galáctica, as forças de maré da gravidade de ambas as galáxias fazem com que o gás estelar dentro das duas galáxias aqueça e se aglomere, levando a um aumento na formação de estrelas. É improvável que qualquer estrela colida durante a fusão devido às grandes distâncias entre elas. No entanto, grandes nebulosas podem colidir devido à sua área de superfície muito maior. Quando as nebulosas colidem, o material estelar pode se aglomerar, aumentando diretamente a temperatura e a pressão. A colisão pode resultar em um rápido aumento na taxa de formação de estrelas. A taxa de formação de estrelas é tão drástica que, quando a fusão termina, a maior parte do material formador de estrelas já desapareceu. Esta fase de nascimento rápido de estrelas é chamada de fase starburst, e qualquer galáxia dentro desta fase é chamada de galáxia starburst. As coisas se acalmam depois de muitos milhões de anos, e uma nova galáxia elíptica muito maior nasce.