O que é uma Galáxia?

Assim como em colunas anteriores transitei do nosso familiar planeta Terra aos exóticos exoplanetas, abordo agora as misteriosas galáxias, depois que você já conheceu as estrelas que as povoam (cujo texto sugiro ler antes).

O que é uma Galáxia?

Galáxias são enormes sistemas estelares unidos pela força da gravidade, compostos por estrelas, nuvens de gás, poeira e mais um misterioso componente chamado de matéria escura.

Existem possivelmente algo como 150 bilhões de galáxias no universo observável (mas este número pode subir para 2 trilhões). Algumas são chamadas de anãs, por possuírem apenas dez milhões de estrelas. Outras são gigantescas, com uma centena de trilhões de estrelas.

Assim como antigamente se acreditava que as chamadas estrelas fixas faziam parte do sistema solar, também se pensava que as galáxias eram muito mais próximas da Via Láctea. Foi só no século XX que uma famosa disputa foi resolvida: a vizinha Galáxia de Andrômeda foi provada independente e distante. Enquanto a Via Láctea alcançava 100 mil anos-luz, Andrômeda estava a 2 milhões de anos-luz. O cosmo se mostrava maior do que supunha a imaginação.

Talvez seja o momento de comentar sobre essas gigantescas distâncias espaciais. Acho que você sabe que um ano-luz é a distância percorrida pela luz em um ano. A luz trafega à maior velocidade conhecida na física, 300 mil km/seg. Assim, um ano-luz é a inacreditável distância de quase 10 trilhões de km.

Não se sabe bem como as galáxias se formaram e há duas teorias a respeito: ou foram criadas a partir de um colapso simultâneo de larga escala das nuvens de gás no universo rarefeito ou resultaram da gradual aglutinação de pequenas estruturas globulares gasosas ao longo do tempo. Em ambos os casos, esta condensação da matéria aconteceu por caprichosas flutuações de densidade no mundo primordial.

O cosmo surgiu 14 bilhões de anos atrás. As galáxias primitivas cresceram durante as eras escuras, antes dos fótons, quando ainda não havia luz. 600 milhões de anos depois apareceram enormes estrelas primordiais. Esta primeira geração estelar ionizou o gás neutro, gerando bolhas de espaço em expansão, por onde a luz pôde finalmente atravessar.

Como as estrelas eram formadas apenas por hidrogênio e hélio, acabaram consumindo seu combustível e explodiram como supernovas, fundindo os primeiros metais ou elementos pesados, como você leu no capítulo anterior.

Cerca de um bilhão de anos depois, as estruturas das galáxias começaram a se formar, com o buraco negro central e o bulbo galáctico à volta, onde orbitou a nova geração de estrelas, ainda pobre em metal.

Se o buraco negro opera como um ávido devorador de matéria, tragando os corpos que circulam na sua vizinhança, por outro lado é sua descomunal densidade quem dá estabilidade gravitacional às galáxias, funcionando como uma âncora.

Nos dois bilhões de anos seguintes, formaram-se os discos galácticos, prosseguiu a absorção da matéria das nuvens gasosas e aumentou a abundância de elementos pesados. Nasceu a terceira e atual geração de estrelas, que originou os planetas.

A taxa de formação estelar teve o seu pico dois bilhões de anos depois. Vale dizer, há aproximadamente 6 bilhões de anos depois da criação do universo. A maioria das galáxias brilhantes permaneceu inalterada nos últimos bilhões de anos.

A evolução das galáxias pode ser afetada por interações entre elas. O espaçamento é da ordem de somente cem vezes o seu tamanho. Então, não é raro colidirem. As galáxias que nunca interagiram e permaneceram solitárias são raras – apenas 5% delas. Nas colisões usualmente as galáxias apenas se atravessam, sem que as estrelas se choquem. Só as nuvens interagem – seu meio é rompido e comprimido, favorecendo a geração de novas estrelas.

Mas também ocorrem colisões com fusões entre si, se as galáxias são de tamanhos parecidos, ou com canibalismos da galáxia menor pela maior, caso contrário. Normalmente, mesmo quando não há colisão física, a interação puxa a matéria da galáxia menor em direção à maior, formando pontes.

Mas, inversamente, podem também resultar caudas que migram de cada uma das galáxias na direção oposta à outra. Algumas vezes criam-se sistemas binários, com uma galáxia orbitando à volta da outra. E muitas formas estranhas, que os astrofísicos tentam entender.

A formação de estrelas e galáxias só continuará enquanto houver nuvens densas de hidrogênio. Este suprimento é finito, já tendo acabado nas galáxias elípticas (ver depois). Nas espirais, ele só existe nos seus braços. Durante os próximos 100 bilhões de anos a era de formação estelar irá continuar (se o universo não acabar antes).

Então, só sobreviverão as estrelas mais longevas, que são as anãs vermelhas. Depois delas, não haverá mais corpos leves e gasosos, só as pesadíssimas estrelas de nêutrons e buracos negros, que provavelmente sorverão toda a matéria.

O nosso é um estranho universo: começou como um ponto de densidade infinita, expandiu-se como um mundo vazio, experimentou a condensação da matéria esparsa em estrelas gigantescas, assistiu suas sucessivas explosões e sua aglutinação em galáxias e dividiu-se finalmente entre anãs vermelhas moribundas e vorazes buracos negros.

Foi Edwin Hubble quem classificou elegantemente as galáxias em três tipos principais, conforme seu aspecto (ver figura e tabela). Galáxias elípticas têm a forma de uma elipse, desde as E0 esféricas até as E7 alongadas. Possuem pouca matéria interestelar, são dominadas por estrelas mais velhas no centro e quase não mais formam novas estrelas. Variam muito de tamanho, sendo as grandes as maiores do universo, com milhões de anos-luz, e as anãs as mais comuns, com cerca de mil anos-luz. A distribuição primitiva de matéria que se condensou nelas era provavelmente simétrica.

As galáxias espirais possuem um bulbo central de corpos mais velhos e braços curvos brilhantes. Hubble as classificou como Sa se os braços eram apertados e o núcleo era grande, Sb quando a situação era intermediária e Sc caso os braços fossem abertos e definidos. Os braços são locais de alta densidade, que abrigam estrelas jovens e brilhantes. A distribuição inicial da matéria que se concentrou nelas teria sido assimétrica, gerando uma maré que fez girar a nuvem numa espiral.

Mas Hubble percebeu que algumas galáxias tinham uma barra linear no centro, estendendo-se para fora de cada lado do núcleo. Ele as chamou de SB e distinguiu-as pelas letras a, b e c segundo a forma do braço espiral, como antes. Estas barras são vistas como temporárias, resultantes de uma onda de densidade irradiando-se além do núcleo. Galáxias espirais são relativamente pequenas, variando de 20 mil a 100 mil anos-luz.

Existem outras formas galácticas, como formações em anel à volta de um núcleo vazio, formatos lenticulares, que podem ter barras e espirais, e galáxias irregulares que chegam a ser desprovidas de estrutura. A classificação de Hubble tem a vantagem da simplicidade, mas não considerou outras qualidades que não a forma. E mesmo esta pode mudar conforme o ângulo em que é observada.

Porém, há galáxias chamadas de starbursts, onde uma grande concentração de gás responde por um intenso nascimento de estrelas, que chega a 15% do total observável no cosmo. Há também as galáxias ativas, cuja fonte de energia não vem das estrelas e sim de um buraco negro central, sendo chamadas de quasares ou blazares, corpos que compõem as estranhas radio-galáxias.

A Via Láctea é uma SB com 100-120 mil anos-luz de diâmetro. Pertence ao chamado Grupo Local, com tamanho de cem milhões de anos-luz. Junto com Andrômeda, ela é o conjunto mais brilhante do Grupo. Existe mais de uma dezena de galáxias anãs orbitando à sua volta, em especial a Pequena e a Grande Nuvem de Magalhães. A terceira maior formação do Grupo Local é a Galáxia do Triângulo.

De acordo com esta manifestação de darwinismo cósmico, a Via Láctea deverá canibalizar as galáxias anãs do Cão Maior e Sagitário, meros aperitivos com tamanhos de 5 e 8 mil anos-luz. Na realidade, ela e Andrômeda estão se aproximando à razão de 100 km/seg, devendo colidir em quatro bilhões de anos. Mas Andrômeda, mesmo medindo 2 milhões de anos-luz, talvez sofra uma certa indigestão, durante os 2 bilhões de anos em que durar a colisão e fusão dos dois sistemas. Alguns astrônomos chamam de Milkômeda a supergaláxia resultante.

Este Grupo Local é um dentre muitos no universo, onde cada membro deve ter velocidade baixa o suficiente para não escapar e alta o suficiente para evitar sua junção. O nosso Grupo Local corresponde a uma estrutura parecida com uma nuvem dentro do Superaglomerado de Virgem.

Virgem agrega 2.500 galáxias, sendo seu centro controlado por duas elípticas gigantes. De fato, os superaglomerados costumam ser dominados por uma única galáxia elíptica imensa, cuja força de maré acabará destruindo e incorporando as formações satélites.

Entre estes superaglomerados há espaços sem presença galáctica, pois a distribuição do universo é irregular, com as galáxias formando filamentos no espaço. Um exemplo é a chamada Grande Muralha, com 500 milhões de anos-luz de comprimento, mas apenas 15 de espessura. Entre os filamentos estão regiões vazias com diâmetros de 150 milhões de anos-luz. Esse monumental conjunto tem a forma de uma esponja.

Na figura ao lado, cada ponto é uma das 9 mil galáxias representadas – por desenho, a Via Láctea ocupa o centro e a Grande Muralha, a banda central superior. Além desta escala da figura, o universo parece ser indiferente e homogêneo.

Mas a maior presença em todas essas estruturas descomunais não é sequer visível – trata-se da matéria e da energia escura, que são algo como 95% do universo. Parte da primeira é convencional, apenas não sendo vista, mas o restante é matéria exótica. Este adjetivo representa comportamentos que violam as leis físicas ou partículas meramente hipotéticas ou ainda inconsistências ainda não compreendidas.

Essa forma escura não interage com a matéria comum e nem consigo mesma, porém se revela indiretamente pelos efeitos gravitacionais. A energia escura está distribuída em todo o cosmo e funciona como uma pressão negativa, afastando os corpos, contrapondo-se à gravidade e acelerando a expansão do universo. Assim, as galáxias são na verdade construídas a partir de enigmas físicos.