SOBRE A FORMAÇÃO E EVOLUÇÃO DE BARRAS ESTELARES EM GALÁXIAS

DIMITRI ALEXEI GADOTTI

Orientador: Prof. Dr. Ronaldo Eustáquio de Souza

$\parbox{11cm}{Tese apresentada ao Departamento de Astronomia do Inst... ...e dos requisitos para a obten\c c\~ao do t\'{\i}tulo de Doutor em Astronomia.}$

NOVEMBRO DE 2003

``Você é assim,
um sonho pra mim,
e quando eu não te vejo...

Eu penso em você
desde o amanhecer
até quando eu me deito.

Eu gosto de você
e gosto de ficar com você.
Meu sorriso é tão feliz contigo!
O meu melhor amigo é o meu amor...''

Para Aline.

Agradecimentos

Finalizar uma Tese de Doutoramento em Astrofísica no Departamento de Astronomia da USP certamente está entre as minhas maiores conquistas, e, sem o apoio direto e indireto de muitos, tal êxito não me seria possível. Diante da impossível tarefa de agradecer a todos adequadamente (o que me faria incluir até o café salvador aos fins de semana), fico feliz em poder registrar que quase sempre todos que participam de alguma forma da minha vida percebem o valor que este trabalho tem para mim, e as decepções têm sido desprezíveis perante os incentivos.

Este trabalho teria sido impossível sem o apoio financeiro da FAPESP, sob o processo no. 99/07492-7. A Universidade de São Paulo também participou diretamente com auxílio financeiro para a execução deste trabalho.

Mais uma vez agradeço à sempre prestativa Marina, incapaz de me dizer não mesmo diante dos pedidos mais absurdos, e aos demais funcionários do IAG. Agradeço ao pessoal do Observatório do Pico dos Dias e do Observatório de La Silla pela companhia e pelo auxílio nas noites longas, frias, sonolentas, mas estreladas e vibrantes. Aos colegas do IAG e da comunidade astronômica brasileira por alguns dos momentos sublimes durante estes 4 anos. Uma oportunidade maravilhosa me foi dada durante este período, e agradeço aos membros brasileiros do Observatório Gemini por esta oportunidade, bem como a todos do Gemini e do CTIO com que tive a oportunidade de viver e trabalhar em La Serena.

Certamente, ter a oportunidade de trabalhar lado a lado com o Ronaldo foi um aprendizado que não cabe aqui. Sua inspiradora forma de fazer Ciência e sua clareza de raciocínio foram fundamentais para o meu trabalho. Sua contribuição foi mais do que essencial.

Durante a realização deste trabalho, tive o prazer de ter a companhia da Sandra, que nunca me deixou esquecer aquilo que realmente é importante, e cujos ensinamentos continuam me sendo valiosos. Tanto me alegra saber que continuarei com a companhia dos dois na Ciência e na Vida.

Outros pesquisadores colaboraram de forma direta nesta Tese, e deixo aqui meu muitíssimo obrigado a Lia Athanassoula, Peter Teuben, Ivo Busko, Ron Buta e a todos que participaram dos encontros em Kiel e em Roma, nos quais tive momentos inesquecíveis e muito alegres com alguns dos maiores cientistas da minha área.

Agradeço aos meus companheiros de escalada, que jamais se esquecem de mim nos fins de semana, mesmo após tantas negativas nos últimos meses, e com os quais o sonho e a adrenalina não acabam nunca: Filippo, Robertão, Aldo, Rogério e Toichiro. E ao Sandro, meu companheiro de sala, Ciência, Música e assuntos aleatórios.

Sem o apoio e a compreensão da minha família, isto tudo teria sido muito mais difícil, devo muito a vocês!

Finalmente, minha eterna gratidão a minha companheira, Aline. Sem tua paciência, compreensão, carinho e amor, eu não seria metade do que sou, e espero muito te retribuir com mais muitos momentos tão felizes como os que temos tido juntinhos.

Os dias que estes homens passam nas montanhas são os dias em que realmente vivem. Quando a mente se limpa das teias de aranha e o sangue corre com força pelas veias. Quando os cinco sentidos recobram a vitalidade e o homem, completo, se torna mais sensível; e então já pode ouvir as vozes da natureza, e ver as belezas que só estão ao alcance dos mais ousados.

Reinhold Messner Primeiro homem a escalar as 14 maiores montanhas do Mundo, todas aquelas com mais de 8000 metros de altitude, conhecidas como ``As 14 oito mil'', todas no Himalaia. Em muitas delas o fez mais de uma vez, sem oxigênio suplementar e por vias novas. Em duas delas, escalou completamente sozinho. Em uma delas, o Nanga Parbat, perdeu o irmão. Também foi o primeiro homem, junto de seu companheiro austríaco Peter Habeler, a escalar o Everest sem oxigênio suplementar, em 1978. Nascido no Südtirol, completou 59 anos este ano.

Se você realmente precisa fazer esta pergunta, então, meu caro, não há resposta que irá fazê-lo compreender.

George Leigh Mallory Em resposta a um jornalista que o indagava: ``Por que escalar Montanhas?'' no início da década de 1920. Pode ter sido o primeiro homem a escalar o Everest, com seu companheiro também inglês Andrew Irvine, quase 30 anos antes de sua conquista oficial. Foram vistos pela última vez em direção ao cume, 250 metros abaixo dele, em 1924. Mallory tinha então 37 anos e Irvine estava com 22 anos. Foram 2 dos mais fortes alpinistas da época.

Resumo

Nós realizamos um estudo detalhado acerca das propriedades estruturais e cinemáti-cas de galáxias barradas lenticulares e espirais de tipos morfológicos recentes e tardios, com o objetivo de explorar os processos de formação e evolução de barras estelares em galáxias, e as implicações destes processos para a formação e evolução global desta classe de galáxias. Utilizando espectros de alta razão sinal/ruído, obtidos ao longo dos eixos maior e menor das barras em uma amostra de 14 galáxias, determinamos a distribuição de velocidades estelares ao longo do eixo vertical das barras, em diversos pontos, que distam até cerca de 20'' do centro, através de um algoritmo desenvolvido com esta finalidade. Com estes dados, foi possível desenvolver um diagnóstico que permite estimar a idade das barras, e distingüir barras recém-formadas de barras evoluídas. Além disso, pudemos avaliar a estrutura vertical de discos e barras em galáxias. Através de simulações $N$-corpos realísticas, estudamos as condições necessárias para a formação de barras em galáxias, bem como a escala de tempo envolvida nos processos que levam as barras a ganhar uma importante estrutura vertical. Finalmente, utilizando imagens obtidas em $B$, $V$, $R$, $I$ e $K\!s$ para uma amostra de 19 galáxias, e imagens obtidas em $R$ para uma amostra de 51 galáxias, que inclui galáxias elípticas, realizamos uma análise estrutural detalhada em galáxias que cobrem toda a seqüência morfológica de Hubble, determinando parâmetros estruturais que descrevem o bojo e o disco destas galáxias, bem como obtendo imagens residuais que revelam sub-estruturas importantes. A realização desta análise exigiu o desenvolvimento de um algoritmo específico, e deu origem a um atlas de análise estrutural em galáxias. Dentre os principais resultados obtidos, destacamos: (i) existem barras verticalmente finas e espessas, e esta diferença se deve a uma diferença na idade das barras; (ii) o processo que leva ao espessamento da barra, conforme determinamos, é lento ($\sim 5-10$ Gano); (iii) o cenário vigente de formação de barras não é capaz de explicar de forma natural a existência de barras em galáxias cinematicamente quentes e com bojos proeminentes; (iv) sugerimos um novo mecanismo para a formação de barras em galáxias, que pode dar conta das dificuldades enfrentadas pelo cenário atual, bem como explicar a existência de galáxias barradas em que a componente disco é praticamente inexistente, descoberta que também foi fruto deste trabalho; (v) bojos em galáxias lenticulares e espirais são, pelo menos parcialmente, formados através dos processos de evolução secular em barras; (vi) durante a sua evolução, uma barra captura estrelas do disco, tornando-o mais tênue, e se fortalecendo, o que está em acordo com resultados numéricos e analíticos recentes; (vii) cerca de 1/3 das galáxias elípticas possui discos internos, e (viii) a classificação morfológica visual de galáxias erra em cerca de 1/3 das galáxias elípticas e lenticulares.

Abstract

We have done a detailed study on the structural and kinematical properties of lenticular and early- and late-type spiral galaxies with bars, aiming to explore the formation and evolution processes of stellar bars in galaxies, and their implications on the global formation and evolution of galaxies. Using high signal-to-noise spectra obtained along the major and minor axes of the bars in a sample of 14 galaxies, we have determined, with an algorithm properly developed for this task, the stellar velocity distribution in the bars' vertical axis, in several points, reaching 20'' from the center. With these data, it was possible to develop a diagnostic tool that allows one to estimate the ages of bars, and distinguish between recently formed bars and evolved bars. Furthermore, we could evaluate the vertical structure of disks and bars in galaxies. Through realistic $N$-body simulations, we have studied the necessary conditions to the formation of bars in galaxies, as well as the time scale involved in the processes which give bars an important vertical structure. Finally, using images obtained in $B$, $V$, $R$, $I$ and $K\!s$ for a sample of 19 galaxies, and images obtained in $R$ for a sample of 51 galaxies, including elliptical galaxies, we have performed a detailed structural analysis in galaxies covering the whole Hubble morphological sequence, determining the structural parameters which describe the bulge and the disk in these galaxies, as well as obtaining residual images which reveal important sub-structures. In order to perform this analysis we have developed a specific algorithm, and built an atlas of structural analysis in galaxies. Among the main results obtained, we point out: (i) there are vertically thin and thick bars and this difference is caused by a difference in the ages of the bars; (ii) the bar thickening process, as we have determined, is slow ($\sim 5-10$ Gyr); (iii) the current scenario for bar formation is not able to explain naturally the existence of bars in galaxies which are kinematically hot and have prominent bulges; (iv) we suggest a new mechanism for bar formation in galaxies, which can account for the serious drawbacks confronted in the current scenario, as well as explain the existence of barred galaxies in which the disk component is almost absent, a discovery which was also a product of this work; (v) bulges in lenticular and in spiral galaxies are, at least partially, formed through the secular evolutionary processes in bars; (vi) during its evolution, a bar grows stronger by capturing stars from the disk, which becomes fainter, in agreement with recent numerical and analytical results; (vii) around 1/3 of the elliptical galaxies harbor inner disks, and (viii) visual morphological classification of galaxies is wrong in nearly 1/3 of the elliptical and lenticular galaxies.