El espectro de galaxias desaparecidas

Cuando miras el cielo nocturno, todas las estrellas aparentes pertenecen a nuestra galaxia. La más cercana a las galaxias gigantes, Andrómeda, se encuentra a más de dos millones de años luz de distancia, una distancia equivalente a 20 veces el diámetro de la galaxia. Sin instrumentos ópticos, es imposible distinguir individualmente las estrellas de la galaxia de Andrómeda; forman un lugar difuso en el cielo y parecen pertenecer a un universo diferente al nuestro. Por el contrario, es natural imaginar las estrellas observables como soles, nacidas y crecidas dentro de la galaxia.

¿Qué deberíamos pensar de Arcturus, la segunda estrella más brillante del cielo boreal? ? El movimiento celestial de Arcturus es diferente de la mayoría de las estrellas en la Vía Láctea, al igual que su composición química. Comparte estas propiedades singulares con algunas otras estrellas «no conformistas» dispersas en el cielo, cuyo origen ha sido objeto de un animado debate desde la década de 1960. ¿Es la fuerza de gravedad impresa por los brazos espirales de nuestra galaxia lo que les habría impuesto órbitas originales? ? ¿O serían estrellas formadas en regiones distantes, fuera de nuestras fronteras, que luego habrían quedado atrapadas en el ogro galáctico? ?

En los últimos años, los astrónomos han confirmado que algunas estrellas de la galaxia nacieron en órbitas no convencionales, o que otras han sido rechazadas sobre ellas. También descubrieron que una parte importante de las estrellas atípicas, como Arcturus, provienen de fuera de la galaxia. De hecho, estas estrellas nacieron en pequeñas galaxias satélite, y habrían sido capturadas y luego asimiladas a las nuestras. Con el tiempo, la Galaxia habría destruido a cientos de sus vecinos cuyos habitantes se mezclarían hoy con la población galáctica mientras retiene de su pasado lejano solo un recuerdo evanescente. Gracias al estudio de estas estrellas, los observadores reconstruyen la historia violenta de nuestra galaxia y exploran su secreto más oscuro: la naturaleza de la materia oscura invisible que preside su destino.

Comportamiento sospechoso

La galaxia está compuesta por un disco de estrellas muy brillante en el centro del cual hay una bombilla. Este conjunto está rodeado por un halo esférico de poca luz, compuesto de estrellas y pequeños grupos de estrellas, cúmulos globulares. Durante una noche despejada, la Vía Láctea nos revela la luz del disco estelar que vemos desde adentro. A ambos lados de esta franja, las estrellas percibidas a simple vista son las que se encuentran en el disco galáctico, arriba y debajo del Sol.

Para observar un máximo de estrellas de la galaxia, los telescopios modernos escanean el cielo a diferentes longitudes de onda, más allá de lo visible. Las estrellas de poca luz y las ocultas por el polvo del disco estelar son accesibles para nosotros. Sin embargo, para identificar las estrellas que fueron un día extragalácticas, no es suficiente observarlas, es necesario desenmascararlas ! En principio, son revelados por su agrupación en largas rayas (ver Figura 1). Si seguimos el camino trazado por estas estrellas, retrocedemos la mayor parte del tiempo a un cúmulo globular o a una de las pequeñas galaxias satélite que pertenecen al grupo local de galaxias (que tiene alrededor de treinta miembros, además de la Galaxia y Andrómeda ).

Estas rayas son difíciles de detectar porque son poco aparentes de la gran cantidad de poblaciones de estrellas indígenas. Para superar este problema, los astrónomos utilizaron la llamada técnica de «filtro adecuado», desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial para producir imágenes más nítidas de aviones enemigos. Esta técnica identifica e «aisla» a las estrellas indígenas del conocimiento cercano de los patrones que forman, en comparación con los patrones en serie de las estrellas extragalácticas buscadas.

La más impresionante de todas las rayas de estrellas conocidas es, sin duda, la de Sagitario, que descubrimos con nuestros colegas en 1994. Este sendero es una gran cadena de estrellas que rodea nuestra galaxia. Abarca más de un millón de años luz, contiene unos 100 millones de estrellas y cruza la galaxia elíptica de Sagitario, la más cercana a las galaxias del Grupo Local.

La masa de galaxias satélite es entre aproximadamente una millonésima parte de la masa de la galaxia para la más pequeña, y una décima parte de la Gran Nube de Magallanes en el otro extremo de la escala. La galaxia enana de Sagitario pesa aproximadamente 100 veces menos que la galaxia. Constantemente desgarrados por las fuerzas gravitacionales de la masa galáctica, estos pequeños satélites sufren una deformación lenta y progresiva antes de su destrucción final. Vivir en los suburbios de una galaxia gigante no es fácil !

La galaxia enana de Sagitario ha estado muriendo durante varios miles de millones de años; ahora es solo un cuerpo desunido, que termina de dislocarse y disolverse lentamente. Sus estrellas eventualmente se dispersarán por toda la galaxia. La coherencia actual de su rastro eventualmente se perderá, y los astrónomos del futuro encontrarán muy difícil distinguirlos de las estrellas de la galaxia misma.

Un final desgarrador

Varias otras galaxias pequeñas están siendo explotadas, y algunas de ellas ya son solo la resistencia (vea la tabla en la página opuesta). En algunos casos, en cuanto a la Gran Nube de Magallanes, lo que está goteando no son estrellas, sino gas (ver Nubes de gas en el menú Galaxy, por Bart Wakker y Philipp Richter, en este archivo).

El mecanismo de destrucción se basa en el fenómeno de las mareas gravitacionales. Este proceso nos es familiar, porque el flujo y reflujo de los océanos terrestres están dictados por la escoba gravitacional de la pareja Tierra-Luna. Las fuerzas de marea aparecen cuando partes del mismo cuerpo están sujetas a una atracción gravitacional diferente. La Luna, por ejemplo, ejerce una mayor fuerza en el lado de la Tierra que la enfrenta que en el lado opuesto. La diferencia es demasiado pequeña para dislocar nuestro planeta, pero suficiente para causar una ligera hinchazón de los océanos. Debido a los movimientos relativos de los dos cuerpos, esta hinchazón se mueve por todo el mundo, lo que eleva y reduce el nivel del mar en un ciclo regular.

Del mismo modo, la galaxia distorsiona un cúmulo de estrellas o una galaxia cercana disparando más en un lado del sistema estelar que en el otro. Al hacerlo, arranca más y más estrellas que se distribuyen en la parte delantera o trasera de la trayectoria, dependiendo de si son aceleradas o ralentizadas por las fuerzas de marea (ver recuadro arriba). arriba).

Gracias a este mecanismo, la galaxia enana Sagitario y otros satélites galácticos contribuyen al crecimiento de nuestra propia galaxia. Estos descubrimientos han revolucionado nuestra comprensión teórica de la formación de galaxias. De hecho, los astrónomos pensaron anteriormente que todas las galaxias habían evolucionado de acuerdo con un escenario idéntico. En un universo primordial uniforme a gran escala, habrían aparecido pequeñas áreas de sobredensidad a la materia oscura. Estos pozos gravitacionales habrían atraído materia estándar, formando los primeros montones de materia. Este último habría experimentado un período inicial de crecimiento desenfrenado para formar las galaxias primordiales. Entonces, estas galaxias habrían evolucionado rápidamente hacia su forma actual. Tenga en cuenta que la distribución de la materia oscura, necesaria para el desarrollo de galaxias, se revela por la dinámica de los senderos estelares (ver recuadro arriba).

Hoy, los investigadores consideran que solo las galaxias enanas con una masa de menos de mil millones de masas solares han experimentado tal período de formación acelerada. Las galaxias grandes, como la nuestra, se habrían formado más tarde por acreción o coalescencia progresiva de enanos, un proceso aún en curso aunque a un ritmo más pacífico que en el pasado.

El crisol estelar

Habiendo sorprendido a la Vía Láctea en el acto de asimilar las galaxias vecinas, los astrónomos se enfrentan a nuevas preguntas. ¿Cuál es la composición química de estos «ladrillos de construcción» galácticos? ? ¿Cómo han contribuido los químicos a la galaxia a su historia más antigua? ? En las galaxias gigantes actuales, cuál es la proporción de estrellas de origen externo, en comparación con las estrellas nativas ?

Para responder a estas preguntas, los astrónomos deben saber qué estrellas están cayendo actualmente hacia la Galaxia, pero también cuáles han migrado en el pasado. Sin embargo, una vez que las estrellas y gases externos se han mezclado con los de la galaxia, es casi imposible distinguirlos observando su único movimiento. Los astrónomos «legalistas» están buscando otras huellas más sutiles, como aspectos de su movimiento y composición química, capaces de traicionar el origen de estas estrellas.

Para esto, tienen en un espacio de seis dimensiones los diferentes componentes de la posición y el momento angular de las estrellas. Esta última cantidad se calcula conociendo la masa, la posición y la velocidad de la estrella estudiada, y revela su «estado» de rotación en comparación con una marca vinculada al centro de la galaxia, por ejemplo. La ventaja de este espacio, llamado espacio de fase, es que la disposición de las estrellas revela la existencia de familias particulares, como las estrellas absorbidas por la Galaxia. Aunque el proceso de asimilación finalmente destruye la coherencia espacial de una resistencia, no elimina la coherencia de la resistencia en el espacio de fase.

Al medir la energía, el momento angular y la densidad de presencia en el espacio de las fases de muestras aleatorias de estrellas, los investigadores discernen grupos estelares singulares, imposibles de ver de otra manera. Estos son los fantasmas de las galaxias satélite disueltas durante mucho tiempo en la masa galáctica. Varios equipos de investigación, incluido el de Amina Helmi, del Instituto de Astronomía Kapteyn en Groninga, Países Bajos, y Chris B. Brook, de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Melbourne, Australia, han utilizado esta técnica para revelar varios «fósiles» de acreción estelar. «en nuestro barrio. A pesar de estos resultados halagadores, detectar rayas de estrellas sigue siendo difícil. Ahora se utilizan otros métodos complementarios.

Los que no son como los demás

Los astrónomos comienzan a probar otra técnica, conocida como «huellas digitales químicas». La mayoría de las estrellas nacen en vastas nubes de gas, viveros que contienen varios miles o decenas de miles de estrellas. Cada nube consiste en una mezcla única y homogénea de elementos químicos de los cuales heredan toda la descendencia estelar. Incluso cuando las estrellas se dispersan, conservan su identidad química única, lo que permitiría a los astrónomos caracterizar su lugar de nacimiento.

Kim Venn, de la Universidad de Victoria en Columbia Británica, y sus colegas han demostrado que las estrellas nacidas en galaxias enanas tienen una composición química diferente a las estrellas nativas de la galaxia. Gayandhi de Silva, del Observatorio Europeo Austral, y sus colaboradores llevaron a cabo recientemente un estudio químico detallado de uno de los cúmulos estelares más conocidos de la galaxia, los Hyades. Revelaron que todas las estrellas en este cúmulo tienen una distribución idéntica de elementos químicos. Este trabajo confirma que las huellas digitales químicas deberían conducir a la identificación de estrellas del mismo origen. Los astrónomos podrían identificar a los propios hermanos del Sol, es decir, las estrellas formadas a partir de la misma nube de gas que el Sol, ahora dispersas por toda la Galaxia.

Al verificar la validez de la encuesta de huellas digitales químicas, los astrónomos de proyectos rave (para el Experimento de Velocidad RAdial) y segue (para la Extensión Sloan para la Comprensión y Exploración Galáctica) han comenzado a poner en práctica estas ideas. Midieron la velocidad y la composición química de casi 100,000 estrellas cercanas. Estos proyectos son en sí mismos los precursores de la misión Gaia, la Agencia Espacial Europea y la misión sim (Misión de Interferometría Espacial) de la NASA.

Desde finales de 2011 hasta 2020, el telescopio Gaia mapeará la estructura tridimensional de nuestra galaxia utilizando mediciones precisas de posición y velocidad para más de mil millones de estrellas, o casi el uno por ciento de la Vía Láctea. El satélite también tendrá como objetivo medir la composición química de varios millones de estas estrellas. Durante un período de observación comparable, sim debe proporcionarnos información sobre la posición de las estrellas con poca luz, explorando así las rayas más tenues de las estrellas. Por lo tanto, estas dos misiones representan lo mejor de los dos mundos: una encuesta sim muy sensible, pero estrecha, y otra Gaia grande, pero menos sensible.

En la década de 1990, cuando descubrimos la corriente de estrellas vinculadas a la galaxia enana de Sagitario, muchos colegas consideraron esto como una simple curiosidad sin importancia real. Pero este descubrimiento se convirtió rápidamente en un brillante ejemplo de los mecanismos de acreción y coalescencia que marcaron la turbulenta historia de la galaxia. Estos procesos ahora son vistos como uno de los principales caminos de entrenamiento y evolución para las galaxias. Las galaxias enanas absorbidas trajeron nuevas estrellas, gas y materia oscura y desencadenaron ondas de formaciones estelares.

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