Los fósiles de la Vía Láctea

Las imágenes de galaxias espirales, como la Vía Láctea, son engañosas. Dan la impresión de una estructura regular y tranquila a la pequeña historia agitada. En realidad, estas galaxias tienen un apetito ogro. Crecieron fagocitizando pequeñas galaxias vecinas. Los astrónomos han confirmado recientemente que con el tiempo la Vía Láctea ha atraído y abarcado muchas otras galaxias más pequeñas para las cuales las estrellas se han apropiado.

Conocemos al menos treinta galaxias llamadas «enanas» que orbitan la Vía Láctea. Son cien a un millón de veces más pequeños que la Vía Láctea. Algunos no fueron descubiertos hasta principios de 2015 y probablemente quedan docenas por descubrir. Las galaxias satélite actuales representarían solo una pequeña fracción de las que han existido, y las otras fueron capturadas y tragadas por la galaxia durante mucho tiempo. Esta ingestión comenzó cuando la Vía Láctea era cada vez más joven. Continúa hoy: las galaxias satélite observables terminarán siendo tragadas también.

Mucho después de la desaparición de las víctimas del apetito gravitacional de la Vía Láctea, percibimos rastros de ella en forma de rayas de estrellas que se extienden sobre el cielo, llamadas corrientes estelares. Durante quince años, los investigadores en un campo relativamente nuevo, la arqueología galáctica, han resaltado una gran cantidad de tales corrientes, a veces apenas visibles. Al estudiar estos «fósiles», testigos del pasado de la galaxia, los astrónomos reconstruyen los detalles de la historia de la Vía Láctea y recogen pistas sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias espirales.

Los astrónomos-arqueólogos ya han confirmado uno de los procesos de crecimiento de la Vía Láctea y las galaxias jóvenes en general. El descubrimiento de múltiples corrientes estelares a partir de satélites perdidos hace mucho tiempo respalda la teoría ampliamente aceptada de que nuestra galaxia era inicialmente pequeña y creció ingiriendo masa en grandes picaduras: estamos hablando de la formación jerárquica de estructuras. Aunque quedan muchos detalles de este escenario por aclarar, revela gradualmente la biografía de la Vía Láctea.

La teoría de la formación jerárquica de galaxias estipula que el principal impulsor del crecimiento de grandes galaxias que se asemejan a la Vía Láctea no es la materia bariónica (las estrellas, el gas y el polvo que podemos observar, y que consisten en las mismas partículas que usted y yo). En cambio, la fuerza impulsora está vinculada a los vastos «halos» de materia oscura invisible, tipos de nubes esféricas. Gracias a las observaciones indirectas, los astrofísicos creen que los halos de materia oscura son mucho más masivos y extensos que las galaxias de materia visible normal que pueden contener. Se cree que inicialmente se formaron pequeños halos de materia oscura que gradualmente se aglomeran en halos más grandes. Las galaxias que contienen se acercan y las galaxias grandes se tragan las pequeñas.

La naturaleza de la materia oscura queda por descubrir (solo la percibimos a través de su atracción gravitacional en todo lo demás). Sin embargo, la mayoría de los astrónomos piensan que esta representación es justa para las galaxias espirales. Muchas observaciones sobre grupos de galaxias y su dinámica solo pueden explicarse con la presencia de materia oscura.

Construye una galaxia con materia oscura

Sin embargo, si la materia oscura crea las condiciones para la aglomeración de las galaxias, los detalles de su formación son dictados por las fuerzas involucradas en la materia bariónica. De hecho, el halo de la materia oscura atrae la materia bariónica en forma de gas a su centro, a través de la fuerza gravitacional. El gas se vuelve cada vez más denso y colapsa en ciertas regiones hasta el punto de formar estrellas. Cuando estas estrellas llegan al final de su vida, expulsan la materia devolviendo sus átomos al gas de la galaxia (y posiblemente más allá) y a menudo desencadenan la formación de una nueva generación de estrellas a partir del polvo y el gas restante. Probablemente de esta manera se forme y renueve la población estelar del corazón de la Vía Láctea (el «bubbe») y sus brazos espirales (el «disco»).

La Vía Láctea también tiene una inmensa esfera de estrellas más difusas que rodean el bulbo y el disco, llamado halo galáctico (que no debe confundirse con el halo mucho más grande de la materia oscura). Parte de estas estrellas podría provenir de galaxias enanas destruidas hace mucho tiempo. Se cree que la fracción de estrellas nacidas inicialmente en otras galaxias y finalmente incorporadas a las nuestras es pequeña, como máximo el uno por ciento de los cientos de miles de millones de estrellas en la Vía Láctea.

Según la teoría de la formación jerárquica de galaxias, las estrellas se unen al halo galáctico en una secuencia de eventos que se pueden resumir de la siguiente manera: mientras que la galaxia enana gira alrededor de la Vía Láctea, ella siente la atracción gravitacional de la gran galaxia, que aumenta a medida que disminuye la distancia . El material de la galaxia satélite (estrellas, gases, polvo y materia oscura) ubicado en el lado más cercano a la Vía Láctea está sujeto a una atracción ligeramente mayor que la ejercida sobre el material en el lado más distante. Por lo tanto, la galaxia enana se extiende a lo largo de la dirección que la conecta con la gran galaxia.

El estiramiento resulta de las llamadas fuerzas de marea, similares a las que hacen que los océanos se eleven bajo la influencia de la Luna. Las fuerzas de marea de la Vía Láctea en sus satélites son lo suficientemente poderosas como para extraer estrellas de la galaxia enana. Una vez arrancadas, las estrellas permanecen bajo la influencia de la Vía Láctea y continúan en una trayectoria ligeramente desplazada desde la órbita del corazón de la galaxia satélite. Con el tiempo, el ligero desplazamiento provoca la propagación continua de escombros, que se vuelve más difusa y se aleja de la galaxia satélite para formar corrientes estelares.

Los astrónomos han buscado durante mucho tiempo la confirmación de la existencia de estas corrientes estelares. Ahora está hecho. El descubrimiento de muchas corrientes estelares reveló que la Vía Láctea comenzó a devorar a sus vecinos hace varios miles de millones de años, cuando todavía era joven, y que continúa absorbiendo galaxias enanas hoy. corriente. Aunque los rastros de tales corrientes estelares de compañeros galácticos enanos se han detectado principalmente alrededor de nuestra propia galaxia, estas corrientes probablemente existan alrededor de todas las galaxias espirales, incluso si son demasiado tenues para ser detectadas a tales distancias.

Seguimiento de corrientes estelares

Sin embargo, muchos detalles del modelo permanecieron mal definidos, como la era precisa en la que la Vía Láctea absorbió la mayoría de sus galaxias satélite, la frecuencia de ingestión de galaxias enanas y el tiempo requerido para apropiarse de sus estrellas. Por lo tanto, los arqueólogos galácticos han tratado de localizar más corrientes estelares, para estudiarlas en detalle e identificar vestigios de corrientes faltantes.

Explotaron varios enfoques para encontrar las corrientes estelares de la Vía Láctea. Primero, buscaron conjuntos de estrellas ubicadas a distancias comparables que se congregan en largos filamentos. Para esto, necesitaban un buen mapa tridimensional de las estrellas de la galaxia, que indique la posición de tantas estrellas como sea posible en todas las direcciones.

Los arqueólogos galácticos han examinado los datos del proyecto SDSS (Sloan Digital Sky Survey) . Un telescopio está dedicado a esta encuesta en el Observatorio Apache Point en Nuevo México. Los astrónomos han creado una base de datos de más de 80 millones de estrellas en la Vía Láctea repartidas en más de una cuarta parte del cielo, con información sobre su posición, color y otras características. La gran cantidad de estrellas en este catálogo es un excelente «sitio de surf» para buscar fósiles, testigos del pasado de la Vía Láctea.

Los investigadores vieron estrellas que probablemente estarían a la distancia correcta para estar en el halo galáctico. Identificaron casi un millón de estrellas que se cree que son intrusos potenciales, que pertenecieron a una galaxia de larga evolución. Y, entre estas estrellas, encontraron corrientes estelares dirigidas a áreas más densas en estrellas y forma de cola.

Los astrónomos sabían cómo serían estas colas, en parte gracias a las simulaciones que había creado y publicado en 2005 con el cosmólogo James Bullock de la Universidad de California en Irvine. Utilizamos nuestra comprensión de la formación jerárquica de halos de materia oscura, combinada con la física de las fuerzas de las mareas, para predecir el tamaño y la propagación de las corrientes estelares creadas durante la absorción de numerosas galaxias enanas por la Vía Láctea en formación. Sabíamos, por ejemplo, que la cola tenía que extenderse aguas arriba y aguas abajo de la galaxia, a diferencia de un cometa cuyos escombros son repelidos en una dirección por el viento solar.

La primera evidencia convincente de una amplia corriente estelar se obtuvo en 2003, cuando un equipo de astrónomos dirigido por Steve Majewski, de la Universidad de Virginia, descubrió colas gigantes que emanaban del satélite más cercano conocido de la Vía Láctea, la galaxia enana de Sagitario. El análisis se basó en datos de un proyecto similar al SDSS, pero en el infrarrojo, el proyecto 2MASS (Two Micron All Sky Survey) . Las corrientes se encuentran cerca de la órbita de Sagitario y contienen casi tantas estrellas como en la galaxia de Sagitario. Las colas son tan largas que casi rodean la Vía Láctea. Los astrónomos habían atrapado la galaxia en el acto.

Desde este descubrimiento, los arqueólogos galácticos han descubierto una docena de otras corrientes estelares alrededor de la Vía Láctea en el catálogo SDSS. Según la longitud de las colas de Sagitario, se estima que la galaxia enana ha perdido sus estrellas durante dos o tres mil millones de años. Las otras corrientes también parecen tener unos pocos miles de millones de años. Estas observaciones sugieren que la Vía Láctea digirió galaxias con mayor frecuencia al comienzo de su historia, y que esta tasa ha disminuido recientemente a medida que disminuye el número de galaxias enanas disponibles.

El descubrimiento de corrientes estelares está de acuerdo con las predicciones de la teoría de la formación jerárquica. Sin embargo, las corrientes estelares conocidas son probablemente solo una fracción de las que existen. Muchos otros mayores, demasiado difusos y discretos para ser vistos con los medios actuales, probablemente contienen información sobre el pasado de nuestra galaxia.

Nuevas herramientas de búsqueda

De hecho, confiando únicamente en la posición de las estrellas para encontrar las corrientes estelares, extrañamos muchas colas viejas. De hecho, incluso si las diferencias en las propiedades orbitales entre las estrellas son inicialmente pequeñas, las corrientes eventualmente se alargan, difunden y se desvanecen hasta el punto de perder cualquier estructura obvia después de unos pocos miles de millones de años.

Los astrónomos ahora buscan explotar otras propiedades estelares para encontrar corrientes más difusas, así como vestigios de corrientes dislocadas. Estos conjuntos de estrellas ayudarán a explorar la era más activa de formación de galaxias hace más de diez mil millones de años, es decir, en los miles de millones de años desde el Big Bang, cuando se han formado la mayoría de las estrellas en el Universo. En ese momento, no solo unas pocas galaxias pequeñas y grupos estelares, sino cientos, fueron capturados para formar la Vía Láctea.

Una de las formas de rastrear los restos de galaxias desaparecidas es buscar estrellas con órbitas similares. Si la dispersión de las estrellas de una corriente estelar comenzó hace mucho tiempo, su posición actual ya no les permite ser reconocidos como pertenecientes a la misma corriente. Por otro lado, podemos usar su movimiento para identificar las estrellas que alguna vez formaron parte de la misma galaxia satélite y aprender cómo se unieron a la Vía Láctea. De hecho, su movimiento debería mantener ciertas similitudes. Este es uno de los muchos objetivos del satélite de la Agencia Espacial Europea Gaia , lanzado en diciembre de 2013.

Gaia dedicará los próximos cuatro años a registrar datos para arqueólogos galácticos midiendo la distancia, la posición y el movimiento de más de mil millones de estrellas. Esta cosecha de datos permitirá a los astrónomos calcular la órbita completa de cada estrella. Por lo tanto, podremos seleccionar estrellas con propiedades orbitales similares y probablemente con la misma galaxia original, incluso si las posiciones en el cielo ya no indican su parentesco.

Comparar composiciones químicas

La composición química de las estrellas es otra forma de rastrear su lugar de nacimiento y, por lo tanto, otro medio potencial para descubrir las corrientes estelares. La composición general de las estrellas cambia constantemente debido a la fusión nuclear que anima el corazón de la estrella, transformando los elementos de luz en elementos más pesados. Pero la fusión nuclear solo ocurre en las regiones centrales más densas y cálidas de la estrella. La atmósfera de la estrella, que es la región accesible para los instrumentos de los astrónomos, sería casi idéntica al gas del que surgió.

Kenneth Freeman, de la Universidad Nacional de Australia, en Canberra, y Joss Bland-Hawthorn, de la Universidad de Sydney, usan esta información para agrupar estrellas con la misma huella química y reconstruir el grupo de gas que los vio nacer, independientemente de su posición actual en el cielo.

Fundado únicamente en la composición química, el método de Kenneth Freeman y Joss Bland-Hawthorn no es suficiente para identificar estrellas asociadas con una galaxia enana, ya que estas galaxias probablemente contienen estrellas nacidas en varios grupos de composiciones químicas distintas. Sin embargo, al complementar este enfoque con conocimiento sobre la formación de galaxias y estrellas, se determinan ciertos aspectos de la acumulación de galaxias enanas por la Vía Láctea.

En primer lugar, las estrellas que se forman más tarde en una galaxia dada generalmente contienen elementos más pesados que los que se formaron al principio, porque el material que los constituye ya se ha enriquecido con los restos de generaciones anteriores de estrellas. Luego, el proceso de enriquecimiento depende de los flujos de gas que se rigen en parte por la influencia gravitacional del halo de la materia oscura en la galaxia.

Estos dos efectos sugieren que las galaxias de masas cercanas capturadas y destruidas aproximadamente al mismo tiempo deberían proporcionar una colección de estrellas con una distribución similar de composición química, es decir, con el mismo rango de abundancia para muchos elementos. Por el contrario, las diferencias en la masa de galaxias enanas o en la era de la acreción conducirán a variaciones en la distribución química de las estrellas utilizadas en su composición. Por lo tanto, La distribución general de la composición química de las estrellas alrededor de la Vía Láctea nos permitiría definir clases de galaxias de la misma masa y tragarlas al mismo tiempo, luego calcule la proporción de estrellas de galaxias de cada clase, incluso si no podemos aislar una galaxia individual.

Duane Lee exploró este camino cuando era estudiante en mi equipo en la Universidad de Columbia. Su trabajo preliminar sugiere que los marcadores químicos serían lo suficientemente sensibles como para encontrar las contribuciones de las galaxias enanas, incluso las más pequeñas, destruidas muy temprano en la historia de la galaxia. Sabiendo cuándo llegó cada clase de estrellas, podemos comenzar a dibujar una secuencia de caníbales y volver sobre la historia de la acumulación de la Vía Láctea, volviendo a los períodos más antiguos. Varios equipos de astrónomos están midiendo actualmente las composiciones químicas de millones de estrellas. El primer grupo es el de GALAH (Arqueología gALáctica con HERMES) dirigido por Kenneth Freeman y Joss Bland-Hawthorn. Otro es APOGEE (APO Galactic Evolution Experiment) , que comenzó en 2011 como parte de la encuesta SDSS. El proyecto Gaia -ESO del Observatorio Europeo Austral estudiará más de 0 estrellas.

Los arqueólogos galácticos apenas comienzan a darse cuenta de que estudiar la Vía Láctea equivale a estudiar mil galaxias, todos estos objetos más pequeños que se han combinado para formar nuestra gran galaxia. Los fósiles de estas galaxias desaparecidas nos cuentan no solo sobre la historia de la Vía Láctea, sino también sobre la de todas las pequeñas galaxias que ha incorporado. Pronto deberíamos poder estudiar cómo se formaron las galaxias de diferentes tamaños en diferentes momentos. En la próxima década, estos análisis contribuirán tanto a nuestra comprensión de la Galaxia como al descubrimiento de corrientes estelares alrededor de la Vía Láctea durante la última década.

Finalmente, nos gustaría saber cómo se formaron las primeras galaxias del Universo. Los primeros antepasados de galaxias similares a los nuestros son demasiado pequeños y distantes para ser directamente detectables, pero la arqueología galáctica podría revelar los vestigios de estos primeros gérmenes: las estrellas muy antiguas que aún llevan la marca de su origen se dispersan aquí, en la Vía Láctea. Por lo tanto, no es buscando más, sino cavando en nuestro propio jardín, que finalmente podríamos acceder al Universo primordial y las primeras etapas de la formación de galaxias.

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