Galaxias: génesis y evolución Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Los astrónomos aún están tratando de averiguar por qué algunas galaxias tomaron forma de espiral y qué le sucederá a nuestra galaxia en el futuro.

La quietud del cielo nocturno es reconfortante y a la vez engañosa. Las estrellas y galaxias que vemos están en un estado constante de evolución, aunque ese proceso lleva miles de millones de años.

Gracias a la tecnología de observación que cada vez es más sofisticada, en la actualidad los astrónomos pueden ver millones de galaxias a diferentes distancias de la Tierra: la luz de lo que se piensa es la galaxia más lejana observada hasta ahora ha tardado más de trece mil millones (10⁹) de años en llegar hasta nosotros (Zitrin et al., 2015). Comprender cómo las galaxias cambian y evolucionan supone investigar los primeros momentos de la existencia del universo.

La génesis de las galaxias

Al comienzo de la historia del universo, la materia estaba distribuida de manera casi homogénea a través del espacio con fluctuaciones muy pequeñas en densidad, de alrededor de solo una parte en 100 000 (como grumos de harina en una salsa suave y pareja). Pero en la actualidad el universo está lejos de ser homogéneo, y la materia está densamente agrupada en galaxias. Entonces, ¿cómo surgió este cambio en la distribución de la materia?

De hecho, esta pregunta está relacionada con otro misterio del universo: la materia oscura, qué es y de qué está hecha. Los astrónomos piensan que la mayoría de la materia en el universo es materia “oscura”, en vez de ser la materia “normal” que vemos a nuestro alrededor. Aunque la gravedad ejerce una fuerza de atracción sobre toda la materia, la materia normal también se ve afectada por fuerzas que la pueden separar, como las fuerzas electromagnéticas. Esto no sucede con la materia oscura que, según la teoría, solo se ve afectada por la gravedad. Esto significa que cualquier irregularidad en la materia oscura siempre atraerá hacia sí más materia oscura, y de esa manera crecerá y se formarán estructuras más grandes llamadas halos de materia oscura. La atracción gravitacional de los halos de materia oscura puede volverse tan fuerte que también puede afectar a la materia normal, y de esta manera comienza la producción cósmica de las galaxias.

Al comienzo, la materia oscura arrastra a la materia normal en la forma de una nube de gas hidrógeno. A medida que el gas se condensa y forma estrellas, comienza a formarse una protogalaxia, y finalmente se desarrolla un disco en rotación: la forma típica de una galaxia, como la nuestra, la Vía Láctea. A medida que la galaxia crece, el gas que la alimenta debe reabastecerse en forma constante para mantener la tasa de natalidad estelar. Los astrónomos piensan que este hidrógeno se obtiene de filamentos de gas que provienen  del exterior de la galaxia. Las observaciones de una galaxia lejana que se “alimenta” de una nube cercana de hidrógeno han confirmado esta idea (Bouché et al., 2013).

Transformaciones galácticas

Las galaxias pueden sufrir cambios espectaculares durante su formación y luego de ella, debido a la compleja dinámica interna de las estrellas, del gas y de la materia oscura que se encuentra dentro de las galaxias. Por ejemplo, el llamativo diseño espiral de muchas galaxias se forma por procesos gravitacionales internos: se cree que los brazos espirales se deben a una onda de densidad que hace que las estrellas se aproximen mientras la onda se propaga por el disco de la galaxia.

La barra central que se observa en muchas galaxias espirales, como en la Vía Láctea, también se forma por esos procesos. Las estrellas que forman la barra central, que aquí pueden observarse en la imagen de la galaxia espiral, son las que se han desviado de su movimiento circular y han comenzado a moverse en órbitas cada vez más alargadas. Una explicación posible de este cambio es que en un disco de estrellas en rotación, las estrellas interiores completan una órbita más rápidamente que las exteriores,  y a veces algunas se acercan a otras y las pasan. Esto causa una perturbación en sus órbitas circulares, la que aumenta hasta que se crea la forma de barra^w1.

Otra transformación importante que puede sufrir una galaxia es al fusionarse con otra. A veces una galaxia más grande atrae y devora a una más pequeña en una especie de canibalismo cósmico. Esto podría ocurrir con nuestra propia galaxia en el futuro, si (como muchos científicos predicen) nuestra galaxia devora a las Nubes de Magallanes, dos galaxias satélite cercanas que son visibles desde el hemisferio sur.

También hay fusiones entre galaxias de tamaños similares, lo que produce acontecimientos dramáticos que causan cambios catastróficos en las propiedades de las galaxias. Tales acontecimientos dejan restos de galaxias que no se parecen mucho a las galaxias originales. Sin embargo, a medida que el universo se expande cada vez más rápidamente y las galaxias se alejan cada vez más unas de otras, la probabilidad de que las galaxias se fusionen disminuye.

El futuro de nuestra galaxia

En la actualidad estamos en una etapa tranquila en la historia de la Vía Láctea, luego de fases violentas en las que la fusión de halos de materia oscura y protogalaxias hizo que aumente considerablemente la masa de la galaxia. Durante más de la mitad de la historia del universo, el principal impulsor de la evolución de nuestra galaxia han sido los procesos dinámicos internos. Esto será así por unos miles de millones de años más. Sin embargo, Andrómeda, la galaxia similar más cercana a la nuestra (que a simple vista parece ser una mancha estelar insignificante), se acerca a la Vía Láctea a razón de 110 km por segundo, y chocará con nuestra galaxia dentro de cuatro mil millones de años (Van der Marel et al., 2012). Esta gran fusión tardará dos mil millones de años en completarse, durante los cuales la identidad de las dos galaxias espirales barradas se perderá y se formará un remanente elíptico majestuoso.

Preguntas pendientes

Debido al gran progreso técnico y científico que ha experimentado el campo de la astronomía galáctica desde los años 70, en la actualidad sabemos mucho sobre cómo las galaxias interactúan y cambian. Sin embargo, todavía hay muchas preguntas que no podemos contestar con seguridad. Por ejemplo, al observar galaxias distantes, vemos que muchas tienen formas diferentes de las más cercanas. Estamos observando esas galaxias en la primera etapa de su existencia, debido a los miles de millones de años que la luz tarda en viajar grandes distancias. Sabemos que estas jóvenes galaxias de formas algo peculiares evolucionan con el tiempo y toman formas más conocidas, elípticas o de disco, pero todavía no estamos seguros de cómo sucede.

Un problema fundamental de la astronomía galáctica es que no se pueden observar los procesos astronómicos en acción, debido a los grandes periodos de tiempo que se ven involucrados. En cambio, nuestro conocimiento proviene de la construcción de modelos computacionales y de simulaciones basadas en modelos teóricos combinados con datos observacionales. Hasta la fecha, nuestras mejores simulaciones no concuerdan del todo con los datos observacionales. Por ejemplo, las simulaciones actuales predicen más galaxias rojas enanas de lo que realmente observamos. Esta discrepancia es problemática, porque indica que hay algo que no está del todo bien en las teorías astronómicas que se usaron para desarrollar la simulación, pero todavía no tenemos del todo claro dónde están los defectos. Incluso hay discrepancias entre las propiedades de nuestro vecindario galáctico y algunos resultados numéricos fundamentales: nuestras galaxias satélite son demasiado dispersas o difusas (y tal vez insuficientes) comparadas con las predicciones de la mayoría de los escenarios cosmológicos ampliamente aceptados^w2.

Sin embargo, en las últimas décadas las simulaciones astronómicas se han vuelto mucho más precisas, y ahora somos capaces de modelar el movimiento de hasta un billón de partículas (10¹²), en vez de los pocos cientos de partículas de las primeras simulaciones. Esto reduce la necesidad de trabajar con aproximaciones, y permite el modelaje de los procesos astronómicos con más precisión, lo que a su vez nos da la posibilidad de comprender mejor esos procesos en la teoría. Las nuevas observaciones y los nuevos descubrimientos con herramientas de observación más avanzadas también aportarán mayor precisión (además de nuevas restricciones), lo que ayudará a revelar los defectos de nuestros modelos.

De hecho, las herramientas de observación que están empezando a usarse pueden revolucionar nuestra visión del cosmos. El Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, el proyecto astronómico más grande que existe hasta ahora, y el telescopio espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto para 2018, observarán las densas nubes de gas y polvo y aclararán el misterio de la formación de las estrellas. También podrán observar las protogalaxias que se estaban formando cuando el universo tenía menos del 5 por ciento de su edad actual, lo que sería una contribución significativa a nuestro conocimiento sobre la formación de las galaxias.

References

• Bouché N, Murphy MT, Kacprzak GG et al. (2013) Signatures of Cool Gas Fueling a Star-Forming Galaxy at Redshift 2.3. Science 341: 50–53. doi: 10.1126/science.1234209
• Van der Marel RP, Besla G, Cox TJ, Sohn ST, Anderson J (2012) The M31 Velocity Vector. III. Future Milky Way M31-M33 Orbital Evolution, Merging, and Fate of the Sun. Astrophysical Journal 753: 9. doi: 10.1088/0004-637X/753/1/9
• Zitrin A, Labbe I, Belli S et al. (2015) Lyman-alpha Emission from a Luminous z = 8.68 Galaxy: Implications for Galaxies as Tracers of Cosmic Reionization. Astrophysical Journal of Letters 810: L12. doi: 10.1088/2041-8205/810/1/L12

Web References

• w1 – La NASA tiene más información sobre las galaxias espirales barradas y sobre la evolución de las galaxias en su sitio web Hubble. 
• w2 – En el blog Preposterous Universe hay más información sobre las galaxias difusas.

Resources

• Si desea saber más sobre la materia oscura, consulte:
  • Boffin H (2008) Intelligence is of secondary importance in research. Science in School 10: 14. 
  • Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. 
• Si desea saber más sobre el nacimiento y la evolución de las estrellas, consulte:
  • Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: todos somos polvo de estrella. Science in School 4: 61.
  • Lopes A, Boffin H (2009) La primera luz del Universo. Science in School 13: 48. 
  • Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: el origen de la joyería. Science in School 5: 52. 
• Mire este video, una de las tantas maravillosas simulaciones de la formación de galaxias que puede encontrar en línea.
• Puede aprender más sobre el choque entre la Vía Láctea y Andrómeda con imágenes espectaculares y un video de simulación. 
• Para saber más sobre el observatorio Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, consulte:
  • www.almaobservatory.org
  • Mignone C, Pierce-Price D (2010) El Observatorio ALMA: el cielo a un paso. Science in School 15: 44-49. 
• Haga clic aquí para saber más sobre el telescopio espacial James Webb.
• Conozca el Illustris Project, un proyecto de simulación muy ambicioso que muestra resultados sobre la evolución cosmológica de la materia oscura y de las galaxias de una calidad inigualable.
• No pierda esta oportunidad de ser un científico ciudadano. Regístrese en el proyecto Galaxy Zoo y ayude a los astrónomos a clasificar galaxias.

Institutions

Author(s)

Francesca Iannuzzi hace astrofísica computacional desde hace seis años. Cuando realizó su doctorado en el Instituto Max Planck de Astrofísica en Múnich (Alemania), se dedicó a las simulaciones cosmológicas de la formación de estructuras. Más tarde, cuando fue investigadora posdoctoral en el Centre National de la Recherche Scientifique en Marsella (Francia), trabajó con simulaciones dinámicas de galaxias de disco aisladas. Actualmente se dedica a la investigación y al desarrollo en el campo del procesamiento de lenguajes naturales.

Susan Watt es escritora de ciencia y editora por cuenta propia. Estudió ciencias naturales en la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y ha trabajado para varias organizaciones científicas y editoriales británicas. Tiene especial interés en la filosofía de la ciencia y en la educación científica.

Review

Este artículo, que explica la génesis y la evolución de las galaxias, puede utilizarse para profundizar el saber de los estudiantes sobre el universo.

Antes de leer el texto, puede plantearles a los estudiantes las siguientes preguntas, para que comiencen a pensar sobre los conceptos que explica el artículo:

• ¿Cómo se llama nuestra galaxia?
• ¿Todas las galaxias tienen la misma forma y el mismo tamaño?
• ¿Cómo creen que se forman las galaxias?
• ¿Qué puede causar la evolución de una galaxia?

Por último, el artículo puede servir de punto de partida para hablar sobre la importancia del desarrollo de las herramientas de observación para mejorar nuestro conocimiento del cosmos. Los estudiantes deben tener en cuenta que, en el campo de la ciencia, las teorías aceptadas constituyen la mejor explicación disponible en un momento dado. Sin embargo, si se descubren nueva pruebas que contradicen las teorías existentes, puede ser necesario reformular dichas teorías.

Mireia Güell Serra, España

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