• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Por que as galáxias giram?

O Universo começa com quantidades desprezíveis de momento angular, que é sempre conservado. Então, por que planetas, estrelas e galáxias giram?

Principais conclusões

• Em todo o Universo, as estruturas vinculadas que vemos, de planetas a estrelas, sistemas estelares e galáxias inteiras, giram, giram e têm grandes quantidades de momento angular líquido.
• Mas o momento angular é uma quantidade que é sempre conservada, e o Universo nasce com muito, muito pouco momento angular geral.
• Então, por que todas essas entidades giram, giram e giram, e de onde vem todo esse momento angular? Este é um quebra-cabeça cósmico que realmente achamos que podemos explicar.

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Para cada fenômeno que observamos no Universo, há alguma causa subjacente que deve explicar seu comportamento. Dadas as leis da física, os objetos fundamentais que existem e a maneira como eles se montam com base nas interações entre eles, devemos ser capazes de derivar previsões sólidas e robustas que concordam com o Universo que vemos hoje. Em outras palavras, para cada efeito que vemos, a busca da ciência é entender a causa desse efeito. Às vezes, no entanto, isso é mais fácil dizer do que fazer. Certos efeitos, como a assimetria matéria-antimatéria, o comportamento gravitacional da estrutura cósmica em grande escala e a expansão acelerada do Universo estão todos bem estabelecidos, mas sua causa subjacente permanece obscura.

Mas alguns fenômenos realmente podem ser explicados cientificamente, mesmo que a explicação não seja imediatamente aparente. Maynard Falconer escreve precisamente com essa pergunta, perguntando:

“O [momentum] angular é um dos fundamentos que precisa ser conservado e é [um] componente principal na determinação da forma de estruturas cósmicas grandes e pequenas. O universo começou com [a] momento angular líquido de zero? Qual é a relação entre o momento angular... e galáxias, galáxias e seus sistemas solares, sistemas solares e os vários corpos dentro deles, etc.?”

Essas são ótimas perguntas, e a história cósmica que montamos pode colocar tudo em contexto. Vamos começar do início e mergulhar!

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. Além disso, as imperfeições das ondas gravitacionais e as flutuações do momento angular também são criadas, mas as últimas decaem à medida que o Universo se expande.

Antes que o Big Bang quente ocorresse, ocorreu um período de inflação cósmica: esticando o Universo, criando condições uniformes em todos os lugares e imprimindo uma série de flutuações de pequena magnitude em todas as escalas cósmicas. Essas flutuações incluem imperfeições de densidade, imperfeições de ondas gravitacionais e também imperfeições de momento angular. Sim, isso mesmo: quando o Big Bang quente ocorreu pela primeira vez, ele não nasceu apenas com as flutuações de sementes que levariam ao crescimento de estrelas, galáxias e a estrutura em grande escala do Universo, mas nasceu com uma quantidade intrínseca (e distribuição) de momento angular, também.

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Mas então algo acontece: o Universo se expande. Certos tipos de imperfeições crescem no Universo em expansão – como flutuações de densidade – enquanto outros tipos de imperfeições decaem. As sementes do momento angular se enquadram na última categoria e são fáceis de visualizar. Todos vocês estão familiarizados com um patinador artístico girando e puxando seus braços e pernas, girando e girando mais rápido no processo. Bem, o Universo em expansão é exatamente o oposto disso: qualquer que seja o momento angular com o qual você comece, o ato de expansão empurra a massa para longe do seu centro, fazendo com que você gire cada vez mais devagar. Eventualmente, independentemente do momento angular com o qual você começou, seu giro e/ou movimento rotacional se tornam insignificantes.

Quando uma patinadora artística como Yuko Kavaguti (foto aqui da Copa da Rússia de 2010) gira com os membros longe do corpo, sua velocidade de rotação (medida pela velocidade angular, ou o número de revoluções por minuto) é menor do que quando ela puxa sua massa para perto de seu eixo de rotação. A conservação do momento angular garante que, à medida que ela puxa sua massa para mais perto do eixo central de rotação, sua velocidade angular aumenta para compensar.

Mas você não deve esquecê-lo completamente! Com o tempo, as crescentes imperfeições da densidade acabarão por cruzar um limite crítico devido ao crescimento gravitacional: elas levarão as regiões superdensas a se tornarem cerca de ⅔ mais densas do que a densidade média cósmica geral. Sempre que uma região cruza esse limiar de densidade, ela se torna gravitacionalmente limitada e não apenas começa a se contrair – superando a expansão cósmica – mas começa a atrair cada vez mais matéria das regiões vizinhas. Está a caminho de formar estrelas e crescer em uma proto-galáxia ou até mesmo uma estrutura cósmica maior.

Quando isso ocorre, duas coisas começam a acontecer.

1. Lembra daquele momento angular inicial com o qual “nasceu”? Bem, agora que essa massa está se contraindo após a expansão, está começando a girar e aumentar sua taxa de rotação novamente. Esse momento angular inicial não desapareceu e agora, à medida que diminui, tem a chance de se tornar importante novamente.
2. E as outras massas no Universo, particularmente as regiões superdensas e subdensas próximas, exercem forças de maré sobre ele. O lado “mais próximo” da massa experimenta uma força gravitacional maior do que o lado “mais distante” da massa, e isso pode não apenas esticar o objeto, mas também causar um torque: levando a uma aceleração angular e uma rotação líquida.

Embora o Sol orbite dentro do plano da Via Láctea a cerca de 25.000-27.000 anos-luz do centro, as direções orbitais dos planetas em nosso Sistema Solar não se alinham com a galáxia. Até onde podemos dizer, os planos orbitais dos planetas ocorrem aleatoriamente dentro de um sistema estelar, muitas vezes alinhados com o plano rotacional da estrela central, mas alinhados aleatoriamente com o plano da Via Láctea, pois torques locais de massas próximas podem inundar os efeitos fornecidos pela rotação galáctica global.

De fato, esse fenômeno de “torque de maré” é um dos culpados mais prováveis ​​da origem de como galáxias individuais e sistemas estelares adquirem seus spins e momentos angulares líquidos. Sempre que um objeto grande passa perto de outra massa, as forças de maré ficam mais fortes mais rapidamente do que as forças gravitacionais. A gravidade, lembre-se, é ~1/r ^dois força, pelo menos de acordo com Newton. (E apenas em campos gravitacionais muito fortes é diferente, mesmo de acordo com Einstein.) Isso significa que se você aproximar uma massa de um objeto - para 10%, 1% ou 0,1% da distância original - a força gravitacional se torna cem , dez mil, ou mesmo um milhão de vezes mais forte que a força gravitacional original.

Mas as forças de maré obedecem a uma regra diferente: elas se comportam como ~1/r ³ força. Isso significa que eles se tornam menos importantes em grandes distâncias em comparação com a força gravitacional, e é por isso que, embora o Sol seja 27 milhões de vezes mais massivo que a Lua, as forças de maré da Lua na Terra são cerca de três vezes a força do Sol. Essa distância mais próxima é tremendamente importante. Quando você aproxima uma massa de um objeto - a 10%, 1% ou 0,1% da distância original - a força de maré que age sobre o objeto se torna mil, um milhão ou até um bilhão de vezes mais forte que a força de maré original .

O tripleto M81, consistindo de M81 (centro-direita), M82 (topo) e NGC 3077 (esquerda), estão todos conectados por uma vasta ponte de hidrogênio neutro. A queda de gás, a formação de estrelas e os efeitos gravitacionais das marés estão todos relacionados, com a força das forças das marés aumentando muito mais rapidamente com distâncias mais curtas do que a força gravitacional.

No que chamarei de ambientes astrofísicos “confusos”, onde há muitos aglomerados densos de matéria agindo a curtas distâncias uns sobre os outros, os torques de maré podem transformar rapidamente uma série de sistemas que não estão girando em um conjunto onde cada sistema tem uma rotação geral líquida. Isso desempenha um papel especialmente forte em berçários estelares e regiões de formação de estrelas, onde novas estrelas e sistemas estelares estão nascendo.

Pegue uma nuvem de gás, torne-a suficientemente grande, deixe-a esfriar e observe-a entrar em colapso gravitacional. À medida que o colapso começar, ele começará a se fragmentar em regiões individuais, algumas com maiores quantidades de massa e densidades mais altas e outras com quantidades menores de massa e densidades mais baixas. As regiões de maior densidade e maior massa entrarão em colapso primeiro, formando o que você pode visualizar como um objeto maciço em forma de batata: uma estrutura irregular tridimensional, onde um eixo é o mais longo e outro é o mais curto.

O colapso gravitacional sempre ocorre mais rápido na direção mais curta e, quando isso ocorre, você obtém um “splat”, ou o que os astrofísicos chamam de panqueca. No rescaldo dessa panqueca, sempre há um disco circunstelar em torno da(s) massa(s) maior(es) e mais densa(s): a(s) protoestrela(s).

Esta imagem em dois tons mostra uma ilustração do disco protoplanetário em torno da jovem estrela FU Orionis, que foi fotografada várias vezes pelo Telescópio Espacial Hubble, mas com anos de diferença. O disco mudou, indicando que está entrando em um estágio mais avançado de evolução, à medida que os planetas se formam e o material disponível para formá-los e cultivá-los evapora, sublima e é levado pelo vento. Espera-se que os planetas e a estrela central orbitem e girem na mesma direção; apenas colisões e interações devem mudar essa história.

Mesmo uma pequena quantidade de momento angular inicial - que todo sistema proto-estelar adquire - é suficiente para garantir que cada disco protoplanetário venha com um momento angular líquido, e isso leva a um sistema estelar maduro, onde, em geral, há uma direção preferida para a estrela madura, planetas e luas que surgem para todos se moverem. Em particular:

• a estrela terá um eixo e direção de rotação preferidos,
• os planetas orbitarão preferencialmente em torno da estrela na mesma direção,
• as luas desses planetas orbitarão preferencialmente em torno de cada planeta na mesma direção,
• cada planeta vai girar em torno de seu eixo na mesma direção,
• e as únicas exceções surgirão de colisões, fusões ou interações gravitacionais entre objetos ou proto-objetos dentro desse mesmo sistema estelar.

Vemos a evidência disso em sistemas exoplanetários, em sistemas de discos protoplanetários e até em nosso próprio Sistema Solar, onde as únicas exceções são as rotações de Vênus e Urano (que provavelmente foram derrubadas por colisões) e luas que surgiram por captura gravitacional , como o Tritão de Netuno ou a Febe de Saturno.

A aparência de pedra-pomes e a contra-rotação de Phoebe só podem ser explicadas se se originaram do Sistema Solar externo: além de onde os gigantes gasosos estão. Jápeto, no entanto, a lua de Saturno escurecida pelas partículas de Febe, é mais consistente com uma origem semelhante às outras grandes luas de Saturno, pois orbita na mesma direção progressiva que as outras luas e planetas do Sistema Solar.

As orientações dos sistemas estelares têm, até onde sabemos, muito pouco a ver com o momento angular geral das galáxias em que nascem; a dinâmica local de aglomerados de matéria e os torques de maré resultantes deles são suficientemente grandes - em ambas as simulações e por meio de observações - que podem superar qualquer impulso inicial da galáxia como um todo.

Enquanto isso, as próprias galáxias, em ambientes densos, como aglomerados de galáxias, experimentam um fenômeno análogo. Quanto mais perto você chegar do centro do aglomerado, maior a probabilidade de encontrar uma galáxia espiral ou de disco em uma orientação completamente aleatória. Além disso, à medida que as galáxias se fundem e interagem nesses ambientes densos, elas se tornam cada vez mais propensas a se transformar em galáxias elípticas, onde a estrutura espiral suave e geral é destruída, substituída por um “enxame” aleatório de estrelas dentro dela, movendo-se caoticamente como abelhas ao redor de uma colméia. Quando olhamos para as regiões centrais dos aglomerados de galáxias mais densos, eles não são apenas dominados por elípticas gigantes, mas as espirais e outras galáxias de disco são completamente orientadas aleatoriamente, ao contrário de pequenas galáxias satélites em torno de grandes galáxias isoladas, que se aglomeram preferencialmente em um avião.

O aglomerado de galáxias Coma, visto com uma composição de telescópios espaciais modernos e terrestres. Os dados infravermelhos vêm do telescópio espacial Spitzer, enquanto os dados terrestres vêm do Sloan Digital Sky Survey. O Aglomerado Coma é dominado por duas galáxias elípticas gigantes, com mais de 1000 outras espirais e elípticas em seu interior. Ao medir a abundância e orientação de espirais e elípticas em relação à distância do centro do aglomerado, podemos aprender sobre como o momento angular surge dentro das galáxias membros.

Mas em grandes escalas cósmicas fora desses ambientes densos de aglomerados, você pode se perguntar se a estrutura em grande escala do Universo tem algum efeito na orientação das galáxias que surgem. Afinal, há uma dupla maneira pela qual a estrutura cósmica pode se formar, e ambas as influências podem ser importantes dependendo das circunstâncias e das condições iniciais: de cima para baixo e de baixo para cima.

A formação de estrutura de baixo para cima ocorre quando os objetos primeiro se formam em pequenas escalas cósmicas e depois se fundem, interagem e se acumulam para formar estruturas em escalas progressivamente maiores. A formação de estrutura de cima para baixo, por outro lado, ocorre quando as estruturas cósmicas de maior escala se formam e depois se fragmentam em componentes menores, com as estruturas de menor escala mantendo uma memória ou impressão das estruturas de maior escala das quais são derivadas.

Quanto mais bagunçado for o seu ambiente, maior será o impacto da formação de baixo para cima. Mas quando seu ambiente é mais puro – ou seja, quando há menos aglomerados de matéria para interagir em escalas menores – é muito mais provável que você seja influenciado pela formação de cima para baixo. E as maiores estruturas de todas surgem da teia cósmica, ao longo de filamentos gigantes, dominados por matéria escura.

Esta imagem mostra uma estrutura de 15 milhões de anos-luz que surge de uma simulação detalhada da teia cósmica e como galáxias, aglomerados de galáxias e filamentos cósmicos se formam nas maiores escalas de todas. Embora essa simulação teórica, como muitos aspectos de nossos modelos cosmológicos padrão, concorde amplamente com nossas observações, as características de menor escala que surgem, como os giros de galáxias individuais, também não podem ser determinadas sem entradas observacionais.

Esses filamentos têm algum tipo de influência nos spins e orientações rotacionais gerais das galáxias que se formam ao longo deles? Em um estudo de referência que acabou de sair em agosto de 2022, os cientistas que trabalham no Pesquisa de galáxias SAMI Concluí que sim, esses dois fenômenos estão fisicamente relacionados . O que é notável é que as galáxias normalmente têm dois componentes separados, o bojo, que é a porção central da galáxia cujas estrelas existem em uma distribuição elíptica difusa, e o disco, que é a porção mais “panqueca” da galáxia que normalmente gira em uma determinada direção.

O que o estudo descobriu foi que, em relação ao filamento subjacente mais próximo na teia cósmica, essas galáxias associadas têm as seguintes propriedades.

• Galáxias com protuberâncias de pequena massa têm seus spins paralelos ao filamento mais próximo.
• Galáxias com protuberâncias de grande massa têm seus spins orientados perpendicularmente ao filamento mais próximo.
• E galáxias dominadas por discos mostram uma variedade de orientações diferentes, relacionadas a características específicas relacionadas ao movimento e também à massa do bojo central.

Os autores acreditam que os alinhamentos dos filamentos de spin são em grande parte impulsionados pelo crescimento do bojo galáctico, pois ambos são sustentados por fusões galácticas. Quanto maior o número e a gravidade das fusões, mais massiva será a protuberância e maior a probabilidade de uma inversão do alinhamento do filamento de rotação.

As galáxias podem ser encontradas ao longo, nas proximidades e dentro de filamentos cósmicos. Embora se possa pensar em olhar para a forma (morfologia) da galáxia e a orientação de seu disco para encontrar correlações com o filamento, na verdade são as estrelas no bojo da galáxia e seu movimento que está mais alinhado com a orientação da teia cósmica. fios.

Como uma área de pesquisa ativa e em andamento, é um pouco difícil tirar uma conclusão definitiva sobre o que, especificamente, causa o momento angular e a rotação de cada objeto no Universo. O que podemos afirmar, no entanto, é que existem três efeitos principais que certamente se combinarão para explicar a maioria deles.

1. O momento angular original com o qual as sementes da estrutura do Universo nasceram, que persistem e podem se tornar importantes novamente quando essa porção do Universo parar de se expandir e começar a se contrair e colapsar gravitacionalmente.
2. As interações gravitacionais e de maré entre diferentes aglomerados de matéria em escalas cósmicas pequenas e intermediárias, particularmente importantes em ambientes densos, ricos e caóticos.
3. E as estruturas de maior escala que dão origem e influenciam as subestruturas que se formam dentro e ao redor delas, desde galáxias que se formam ao longo de filamentos cósmicos até planetas e luas que se formam dentro de sistemas estelares e aglomerados de estrelas.

Qualquer sistema em particular terá sua própria combinação única desses efeitos que contribuem para seu momento angular total, bem como as propriedades rotacionais e revolucionárias de cada um de seus componentes. Ainda assim, a conclusão geral de que todos os objetos possuem momento angular é muito difícil de evitar. Mesmo que o momento angular líquido do Universo geral seja provavelmente insignificante, a conclusão de que cada componente individual deve ter um momento angular próprio é quase inevitável. Nosso próprio Sistema Solar e todos os objetos dentro dele são apenas um exemplo típico que o ilustra em ação.

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