SUPERAGLOMERADO DE GALÁXIAS COMA

• Os alunos adquirem noções básicas sobre a classificação das galáxias, aplicando dados astronómicos reais do telescópio espacial Hubble. A classificação constitui uma prática científica importante em muitos domínios científicos; simplificando uma diversidade de objetos num número de categorias mais restrito, torna-se mais fácil perceber as características comuns a muitos objetos e estudar estas propriedades de objetos representativos, em lugar de cada objeto individualmente.

• Os alunos descobrem um “efeito de densidade-morfologia” e constroem hipóteses sobre as causas deste efeito.

• Os alunos são capazes de classificar diferentes tipos de galáxias com base em imagens astronómicas.

• Os alunos explicam a importância de classificar objetos.

• Os alunos propõem ideias sobre a razão para as galáxias terem formas diferentes.

• Os alunos praticam, fazendo perguntas e planificando investigações.

• Os alunos discutem algumas ideias, designadamente de que existem meios fisicamente diferentes em todo o universo que as galáxias habitam, de que as galáxias interagem e de que existe uma relação entre o meio e a morfologia das galáxias (designado o “efeito morfologia-densidade”).

• Os alunos constroem hipóteses sobre a causa do efeito de morfologia-densidade.

O(a) professor(a) pode discutir as respostas com os alunos, incentivando-os a partilhar os valores que calcularam dos diferentes tipos de galáxias existentes tanto no campo como no aglomerado, assim como a sua resposta à pergunta final sobre o efeito de morfologia-densidade.

A compreensão dos alunos pode ser avaliada através da discussão, conforme delineada ao longo da atividade, e da recolha de textos para marcar. Como estas atividades avaliam a compreensão dos alunos, não são necessárias tarefas de avaliação adicionais. Especifica-se em seguida uma classificação sugerida.

Classificação sugerida

• Quadro 1: 5 pontos - os alunos apresentam explicações claras do sistema de classificação que criam.

• Quadro 2: 2 pontos cada - respostas (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11).

• Quadros 3, 4 e 5 (contagem das galáxias: não é classificado - baseia-se na interpretação subjetiva dos alunos.

• Quadro 6 e cálculos: 30 pontos - classifica-se a execução e não a exatidão. Os alunos chegarão a números diferentes, mas o cálculo matemático deverá estar correto. As respostas em termos de percentagem enquadram-se normalmente no intervalo seguinte: (Aglomerado: E 50%, L 30%, S 20%) (Campo: E 20%, L 10%, S 70%). Por norma, os alunos obtêm uma percentagem maior de espirais no campo.

Pergunta sobre a hipótese: 30 pontos - a hipótese dos alunos deverá indicar os efeitos das interações e da perda por pressão de impacto sobre a transformação de antigas galáxias ricas em gás nas atuais elípticas pobres em gás e das lenticulares em aglomerados.

• Imagem de 40 galáxias.

• Fichas de galáxias de A a D.

Classificação das galáxias

Os astrónomos classificam as galáxias com base na sua aparência em três grandes classes: galáxias elípticas, espirais e irregulares. Edwin Hubble foi o primeiro a propor este sistema de classificação. Inicialmente, Hubble pensava que a sequência de “diapasão” representava a progressão evolucionária das galáxias. Este conceito veio a revelar-se errado, mas os astrónomos continuam a usar estas categorias e designações gerais para descrever as galáxias.

Principais tipos de galáxias

Elípticas (E), lenticulares (S0), lenticulares barradas (SB0), espirais (S), espirais barradas (SB) e irregulares (IR). A secção sobre a descrição da atividade apresenta mais pormenores.

Tipo de categoria de galáxia adicional

Interagentes: consiste em duas ou mais galáxias que estão tão próximas que afetam a forma uma da outra.

Dados fornecidos nesta atividade

Os dados utilizados nesta atividade são dados do telescópio espacial Hubble sobre o superaglomerado de galáxias Coma. Foram captados em 2006 por meio do instrumento designado Câmara Avançada para Pesquisas (ACS) no telescópio espacial Hubble.

Meios das galáxias

As galáxias existem em todo o universo e habitam uma variedade de meios. Podemos encontrar galáxias em aglomerados, em grupos ou isoladas.

Grupos

Por vezes, as galáxias existem em números inferiores, chamados grupos, que compreendem apenas um número limitado de galáxias. O Grupo Local contém a Via Láctea, a nossa galáxia, e as nossas vizinhas, as Nuvens de Magalhães e a galáxia de Andrómeda, juntamente com algumas dezenas de galáxias mais pequenas.

Campo

Outras vezes, as galáxias podem estar isoladas e distantes de outra do mesmo campo. Estas designam-se como galáxias de campo.

Aglomerados

Um aglomerado de galáxias é uma estrutura de grande dimensão no universo que consiste em centenas de milhares de galáxias ligadas gravitacionalmente umas às outras. As inúmeras galáxias num aglomerado estão densamente juntas, como é o caso do superaglomerado Coma. Os aglomerados formam algumas das estruturas maiores e mais densas no universo. Os aglomerados, os grupos e algumas galáxias isoladas podem fazer parte de estruturas ainda maiores, chamadas superaglomerados; às escalas maiores no universo visível, os superaglomerados estão agrupados em filamentos e muralhas que cercam vastos vazios. Esta estrutura é muitas vezes designada como a “teia cósmica”.

Os alunos começam por investigar imagens de 40 galáxias para se familiarizarem com as suas diferentes aparências e formas. Criam o seu próprio sistema de classificação das galáxias e exploram o modo como os astrónomos classificam as galáxias na realidade em quadro grandes grupos.

Passo 1

Dizer aos alunos: o diagrama anterior mostra um mosaico de 40 galáxias. Estas imagens foram captadas pelo telescópio espacial Hubble e mostram a variedade de formas que as galáxias podem ter. Quando o astrónomo Edwin Hubble começou a estudar estes diferentes tipos de galáxias na década de 1920, desenvolveu um método para organizá-las e classificá-las. Criou um sistema de classificação em que agrupou em conjunto galáxias similares.

A tarefa dos alunos é fazer o mesmo. No quadro seguinte, devem inventar os seus próprios tipos de galáxias e apresentar uma descrição destes tipos de galáxias e três exemplos de cada um.

Preencher o quadro na ficha de trabalho.

Passo 2

Discussão:

Pedir aos alunos que partilhem os seus sistemas de classificação uns com os outros. Pontos de discussão sugeridos:

• Que semelhanças significativas existem entre os sistemas?

• E quais as diferenças significativas?

• Há discordâncias sobre a classificação de galáxias particulares?

• Por que razão os alunos decidiram formular os seus sistemas da forma como o fizeram?

• Que outros tipos de sistemas completamente diferentes podiam ter formulado, por exemplo, se dispusessem de dados diferentes sobre as mesmas galáxias?

• Por que razão é importante (ou não) classificar os objetos que descobrimos?

• Os sistemas de classificação podem alterar-se com o tempo?

É também possível retomar estes pontos de discussão mais adiante durante a atividade. (Presumivelmente, alguns alunos, pelo menos, definirão sistemas de classificação baseados na forma, mas se não for este o caso, depois da discussão dos seus sistemas, incentivá-los a encontrar outros sistemas que se baseiem na forma.)

Instar os alunos a fazer observações e perguntas com base na sua análise da imagem até ao momento, discuti-las em grupos e anotá-las. O objetivo é levá-los a perguntar: “Porque é que diferentes galáxias têm formas diferentes?” Em seguida, instar os alunos a discutir e a anotar perguntas e ideias sobre a razão por que as galáxias poderão ter formas diferentes; por exemplo:

• As galáxias formaram-se com formas diferentes ou formaram-se todas com a mesma forma, tendo depois evoluído em formas diferentes?

• Que histórias diferentes podem ter galáxias diferentes (que possam sobretudo afetar as suas formas)? (orientar os alunos para a ideia de que as galáxias interagem umas com as outras)

• A evolução da forma das galáxias pode dever-se a processos internos ou ser motivada por processos externos? (por exemplo, algo que acontece sempre a todas as galáxias ao longo do tempo ou algo causado pela interação com outra galáxia)

• As formas podem estar relacionadas com o tamanho da galáxia quando esta se forma?

• As formas que observamos são transitórias ou duradouras?

Enquanto os alunos refletem sobre questões deste tipo, incentivá-los a discutir como podem investigar as respostas a estas perguntas. (Talvez alguns alunos cheguem à ideia de que as interações com outras galáxias podem ser importantes e de que a observação de regiões em que existem muitas galáxias e têm lugar muitas interações poderá ser uma forma de investigar este aspeto.

Quer cheguem ou não a esta ideia, esta discussão prévia ajudá-los-á a estar melhor apetrechados para refletir sobre esta questão mais adiante durante a atividade.)

Passo 3

Dizer aos alunos: os astrónomos desenvolveram o seu próprio sistema de classificação das galáxias, com base na forma da galáxia (muitas vezes chamada “morfologia”). As definições dos principais tipos de galáxias usadas pelos astrónomos encontram-se indicadas abaixo. Usando estas definições, colocar as 12 galáxias apresentadas na figura anterior nas respetivas categorias genericamente utilizadas. Preencher o quadro na ficha de trabalho.

Nota: as galáxias mais pequenas são muitas vezes designadas como galáxias anãs (a n.º 5 e a n.º 7 são galáxias anãs). Estas contêm apenas alguns milhares de milhões de estrelas: um número pequeno comparado com os 200 mil milhões da Via Láctea. As elípticas maiores contêm vários biliões de estrelas.

Discutir: de que modo o sistema de classificação utilizado pelos astrónomos se compara com os sistemas de classificação criados pelos elementos da turma?

Passo 4

Dizer aos alunos: usem a imagem e as orientações abaixo para os ajudar a decidir como identificar e contar as galáxias.

Orientações:

• I) Elípticas ou lenticulares: pode ser difícil distingui-las. Se souberem que é uma E ou uma S0/SB0, podem inferir de entre estas duas.

• II) Espirais ou espirais barradas: pode ser difícil distingui-las. Se souberem que é uma S ou uma SB, podem inferir de entre estas duas.

• III) Galáxia irregular.

• IV) Incerta: uma vista do limite de uma galáxia que pode ser uma S0, SB0, S, SB ou IR. Não contar estas porque as possibilidades são demasiadas.

• Estrela) Não contar nenhum objeto com uma cruz ao lado porque corresponde a uma estrela de primeiro plano na galáxia da Via Láctea.

• ?) Não contar objetos pequenos e ténues como estes que são demasiado difíceis de classificar.

Passo 5

Descarregar as imagens “Fichas de Galáxias” A a D para contar os tipos de galáxias observáveis em cada imagem. Contar o número de galáxias de cada tipo morfológico e anotar o número no local correto no quadro.

Passo 6

Dizer aos alunos: as galáxias estão presentes em todo o universo, desde as nossas vizinhas, as Nuvens de Magalhães e Andrómeda, até ao universo visível a 13 mil milhões de anos-luz de distância. As galáxias habitam uma variedade de meios. Por vezes, estão densamente agrupadas em aglomerados em grandes números, como o superaglomerado Coma; outras vezes, agrupam-se em números mais pequenos, chamados grupos, como o Grupo Local que contém a Via Láctea; e outras vezes ainda, estão isoladas e distantes entre si no campo. O quadro abaixo mostra as diferentes propriedades dos diferentes tipos de meios que as galáxias habitam.

No passo anterior, as imagens das Fichas de Galáxias A e C apresentam o denso núcleo central do superaglomerado Coma e as imagens B e D mostram galáxias no campo. (Nota: por vezes os astrónomos usam o termo “campo” para se referirem à área exterior aos aglomerados de galáxias.) Preencher os quadros usando os números anotados no quadro do passo 5 da atividade.

Consultar os quadros na ficha de trabalho.

Passo 7

Pedir aos alunos que reflitam e debatam em grupos: que tendências notam nos dados que analisaram acima? Reparam em alguma coisa sobre onde são normalmente encontrados tipos de galáxias diferentes? (Sugestão adicional: têm tendência para ver mais espirais no aglomerado denso ou no campo? E quanto às elípticas? Os alunos devem reparar que as galáxias espirais são mais comuns no campo e as elípticas são mais comuns em aglomerados densos. Pergunta de seguimento: acham isso surpreendente? O objetivo aqui é levar os alunos a perguntar: “Porque é que o número de galáxias espirais (ou galáxias elípticas) depende do local onde a galáxia se encontra?”

Pedir aos alunos que discutam e anotem ideias sobre a razão por que o tipo de galáxia parece ser afetado pelo local onde a galáxia se encontra. Perguntar aos alunos como podem investigar as suas ideias: que previsões poderiam inferir das suas ideias? Que observações ou informações adicionais pretendem ter? Como podem quantificar esta tendência usando os dados?

Passo 8

Os passos seguintes explicam como os alunos podem investigar esta tendência, primeiro através da sua quantificação e, em seguida, através da leitura de mais informações sobre como as galáxias se formam e evoluem. Os alunos podem ser instruídos como se indica de seguida quanto à forma exata de proceder. Melhor ainda, podem ser estimulados a discutir em grupos a forma como podem investigar esta questão, começando pela quantificação da tendência e passando à determinação por si mesmos do procedimento para efetuar os cálculos abaixo.

Usando uma calculadora, determinar as percentagens de cada tipo de galáxia no aglomerado em relação ao campo (ignorar as galáxias irregulares e interagentes).

Aplicar os números do quadro acima para calcular as percentagens e preencher cada espaço em branco abaixo:

No aglomerado: % de elípticas (e / h) = __ %

% de lenticulares (f / h) = __ %

% de espirais (f / h) = __ %

No campo: % de elípticas (i / m) = __ %

% de lenticulares (j / m) = __ %

% de espirais (k / m) = __ %

Pergunta: Onde encontraram uma maior percentagem de espirais: no aglomerado ou no campo? Resposta: _

Dizer aos alunos: as percentagens que acabaram de determinar dizem-nos quais os tipos de galáxias que são comuns no superaglomerado Coma em relação aos tipos comuns no campo.

Os astrónomos realizaram esta mesma experiência com centenas de milhares de galáxias no universo próximo e descobriram que as percentagens seguintes são bastante típicas:

• Em aglomerados densos, 40% das galáxias são elípticas, 50% são lenticulares e 10% são espirais.

• No campo, 10% das galáxias são elípticas, 10% são lenticulares e 80% são espirais.

Quando as galáxias estão muito juntas, há mais elípticas e lenticulares. Quando estão distantes, há mais espirais. Os astrónomos chamam a este fenómeno o “efeito morfologia-densidade”. Basicamente, este termo significa que nas regiões repletas de galáxias, como os aglomerados, existem diferentes tipos de galáxias em áreas abertas, como o campo.

Passo 9

Por esta altura (a partir do passo 7), os alunos já deverão ter feito a pergunta: “Porque é que vemos mais galáxias elípticas e lenticulares nos aglomerados e mais espirais no campo?” (Outra forma de colocar esta questão é: “Por que razão observamos o efeito morfologia-densidade?”) Os alunos deverão também ter pensado na possibilidade de interações e até mesmo que têm lugar mais interações em meios mais densos, como o centro de um aglomerado.

Apresenta-se em seguida informação que pode ser utilizada para responder a esta pergunta. Este texto pode ser dado a ler aos alunos, pedindo-lhes que discutam e anotem uma explicação para este efeito; ou podem continuar a ser incentivados a refletir e a discutir ideias para possíveis explicações, convidando-os possivelmente então a pesquisar em manuais/na Internet, sozinhos ou em grupos, e partilhar as explicações uns com os outros.

Explicação:

Muitas galáxias contêm o que os astrónomos designam como “gás”, que se refere em geral a hidrogénio gasoso, por vezes misturado com os gases de outros elementos e por vezes misturado

também com poeira. As nuvens de gases podem desintegrar-se por ação da gravidade, o que conduz à formação de estrelas. Os astrónomos têm observado muitas galáxias espirais (S e SB), descobrindo que a maioria destas galáxias contém uma grande quantidade de gás e está atualmente a formar muitas novas estrelas. As galáxias elípticas e lenticulares (E, S0 e SB0) são pobres em gás e não formam muitas estrelas novas.

As galáxias que estão muito próximas umas das outras, como as dos aglomerados, passam frequentemente por muitas interações violentas entre si. Quando uma galáxia espiral rica em gás interage com outra galáxia, em regra esgota rapidamente a maior parte do seu gás para formar novas estrelas, deixando pouca quantidade de gás atrás de si. As interações entre galáxias transformam muitas vezes galáxias ricas em gás em galáxias pobres em gás. Muitas galáxias lenticulares são os resquícios de velhas espirais que esgotaram o seu gás e muitas galáxias elípticas são os resquícios de várias galáxias espirais que colidiram.

Os aglomerados de galáxias estão normalmente repletos de uma grande quantidade de gás quente, que se propaga entre as galáxias em todo o aglomerado. No entanto, não existe gás quente deste tipo no campo. Quando a radiação deste gás quente atinge uma galáxia espiral, elimina o gás muito mais frio da galáxia espiral num processo chamado “perda por pressão de impacto”. Este processo transforma rapidamente uma galáxia rica em gás numa galáxia lenticular pobre em gás. As galáxias espirais têm dificuldade em sobreviver no meio gasoso superaquecido.

Como se vê, as galáxias transformam-se e evoluem ao longo do tempo e as galáxias que observamos hoje no universo próximo já contam com uma longuíssima história.

Atividade adicional

Uma vez familiarizados com as formas das galáxias, os alunos podem contribuir para um verdadeiro projeto de investigação, explorando o programa de ciência cidadã Galaxy Zoo. http://www.space-awareness.org/pt/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC