El origen de múltiples brazos en galaxias espirales

Las imágenes de galaxias espirales se encuentran entre las más bellas obtenidas por el telescopio espacial Hubble . Estas galaxias representan casi el 70 por ciento de las galaxias en el entorno cercano a la Vía Láctea, en sí misma una galaxia espiral. ¿Cómo aparece esta estructura actual y cuál es su evolución? ? ¿Es un fenómeno transitorio con una vida útil corta o larga? ? Se han propuesto diferentes modelos. Elena D’Onghia y sus colegas del Centro Astrofísico Harvard-Smithsoniano en los Estados Unidos estudiaron este tema realizando una simulación digital de una galaxia con 100 millones de partículas. Al introducir nubes de gas gigantes, observaron la formación de brazos espirales.

La primera explicación propuesta suponía que los brazos de las galaxias espirales están formados por materia más densa, que se mueve con el brazo. Se extendió en 1925 porque, si lo era, después de algunas vueltas, los brazos tuvieron que deformarse y envolverse alrededor del centro. En la década de 1960, los astrofísicos estadounidenses Chia Chiao Lin y Frank Shu imaginaron que los brazos espirales son ondas de densidad. En este escenario, una onda se propaga en el plano galáctico, pero más lentamente que la rotación del material. El material se concentra en el paso de la onda, luego vuelve a su densidad normal una vez que la onda ha pasado, un poco como en un atasco.

Si las observaciones tienden a confirmar este escenario, fue difícil reproducir el fenómeno en simulaciones numéricas, porque las ecuaciones, demasiado complejas, tuvieron que simplificarse. Sin embargo, en las simulaciones más detalladas, las armas fueron destruidas rápidamente. En los años 1980-90, la introducción de gas en simulaciones, que disipa la energía de las olas, permitió reproducir la formación de galaxias espirales.

En sus simulaciones, E. D’Onghia y sus colegas están interesados en la formación de múltiples brazos, dejando de lado las galaxias con dos o tres brazos, que son generados y mantenidos por «barras» o compañeros de galaxias. Han probado muchas situaciones teniendo en cuenta los efectos no lineales. Descubrieron que la introducción de nubes de gas gigantes, representadas en las simulaciones por 1,000 partículas muy masivas, interrumpe el medio ambiente y conduce a la formación de armas. Pero estas nubes pueden desaparecer debido a los efectos de dispersión del gas, especialmente cuando la nube cruza un brazo. Las simulaciones muestran que si la vida útil de las nubes supera los 10 millones de años, los brazos espirales aún pueden formarse.

Además, al seguir un paquete de partículas, los investigadores mostraron que los brazos son de hecho ondas de densidad. Más sorprendentemente, si eliminamos las nubes de gas gigantes de la simulación después de la formación de los brazos, la estructura espiral se conserva, porque el paso de los brazos crea fluctuaciones de densidad, equivalentes a las nubes. Un fenómeno que no aparece con la aproximación lineal de ecuaciones.

Simulación de la formación de los brazos de una galaxia espiral con múltiples brazos.

Crédito: Elena D’Onghia y Mark Vogelsberger – Harvard / Thiago Ize – Universidad de Utah

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