Olas en el estanque galáctico

Elegantes espirales que constelan el cielo … Las galaxias se encuentran entre los objetos más elegantes de la astronomía. La galaxia m51 es uno de los ejemplos más bellos: nombrada en el pasado «galaxia paloma», parece un ciclón gigante (ver Figura 1). Las estrellas más brillantes se reúnen allí en «armes», como perlas en un collar que se extiende en espiral alrededor de una joya central. Entrelazados en estos brazos, bandas de polvo oscuro traicionan la presencia de gas interestelar del que nacieron las estrellas. Para m51 y muchas otras galaxias, el patrón espiral surge en el centro, pero en la mayoría de las galaxias espirales, los brazos comienzan en los extremos de una barra de estrellas brillante.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, a menudo se describe como una espiral pura, pero los astrónomos hoy saben que es una espiral bloqueada. Las pistas se han acumulado desde 1975: las estrellas y el gas en el centro de la galaxia no siguen las órbitas esperadas si la espiral se extiende hasta el corazón galáctico. Encuestas recientes del cielo en el infrarrojo cercano, que libres de nubes de polvo y dan acceso al corazón, han revelado directamente la barra central, disipando dudas. Las últimas observaciones muestran una barra de aproximadamente 25,000 años luz de longitud, o una cuarta parte del diámetro de la galaxia.

Las barras y espirales de las galaxias parecen ser estructuras persistentes e inmutables, pero no lo es. Estos patrones evolucionan, pero tan lentamente que solo percibimos una imagen congelada en un momento particular. Los espirales y las barras son ondas que barren los discos de las galaxias al redistribuir violentamente las estrellas, el polvo y el gas que los componen.

Los astrónomos han entendido durante la última década que las propiedades aparentemente inmutables de las galaxias, como su forma, evolucionan dramáticamente con el tiempo. El canibalismo galáctico es el proceso más conocido que transforma la apariencia de las galaxias: la fusión con un vecino puede transformar una galaxia espiral tranquila y ordenada en una galaxia elíptica, desprovista de estructura y donde las estrellas, como las abejas en una colmena zumbido, tienen movimientos desordenados. Sin embargo, los procesos de onda son quizás aún más importantes en la evolución de la forma de las galaxias.

Todas las galaxias espirales, con o sin barras, giran. Las estrellas giran alrededor del centro, formando un patrón regular. Sin embargo, no rotan al unísono. En la Vía Láctea, las estrellas más cercanas al centro tienen miles de revoluciones en su haber en los últimos cinco mil millones de años, mientras que el Sol, ubicado aproximadamente a la mitad del rayo galáctico, solo recorrió la galaxia unas veinte veces al mismo tiempo. Como en el Sistema Solar, donde cuanto más lejos está un planeta del Sol, más lento gira, la velocidad de las estrellas disminuye desde el centro hasta el borde del disco galáctico. Esta rotación diferencial es incompatible con la idea de que las barras y las espirales son estructuras rígidas: en tal caso, se envolverían rápidamente alrededor del centro como una cuerda alrededor de un cabrestante.

¿Cómo mantienen la forma los brazos espirales? ? En la década de 1960, Chia-Chiao Lin y Frank Shu, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, propusieron la llamada teoría de ondas de densidad. Según esta teoría, las barras y los brazos espirales son los «golpes» de las ondas de densidad, donde las estrellas se acumulan temporalmente como en un embotellado cósmico. En la parte interna de la galaxia, las estrellas giran más rápido que la onda y la atrapan, mientras que en las regiones externas, se mueven más lentamente y la onda las golpea desde atrás. El borde de las dos zonas, donde la ola acompaña a las estrellas a la misma velocidad, se llama círculo de corotación.

La onda espiral en sí misma resulta de la alineación de las órbitas estelares. La órbita de una estrella en una galaxia no es tan regular como la de los planetas alrededor del Sol. A diferencia del Sistema Solar, donde el Sol representa casi toda la masa, la mayor parte de la masa de la galaxia se distribuye de manera más uniforme en una gran bombilla central, y el centro de la galaxia no puede asimilarse a una masa puntual. Como resultado, las estrellas describen elipses que no se abrochan el cinturón, pero que cambian a cada giro y forman rostros (ver recuadro opuesto). La velocidad de compensación, o velocidad de precesión, de la órbita del Sol es, por lo tanto, de 105 grados en cada revolución, o cada 230 millones de años. La elipse solar describe un giro completo cada 790 millones de años.

Traffic jams of stars

Cuando las velocidades de precesión de las órbitas estelares son significativamente diferentes, la galaxia no tiene una estructura espiral: las estrellas pasan aleatoriamente una cerca de la otra y se mueven rápidamente, formando agrupaciones fugaces en automóviles similares en una carretera cuando el tráfico es fluido. Por otro lado, cuando la mayoría de las elipses orbitales giran con la misma velocidad de precesión, nace una ola. En una barra, las elipses anidadas se alinean y giran juntas, lo que produce una sobredensidad a lo largo de su eje principal. En una onda espiral, las órbitas se compensan regularmente, de modo que el área de sobredensidad dibuja una espiral.

Por lo tanto, las órbitas estelares pueden moverse al unísono incluso si las estrellas mismas no lo hacen. Pero, ¿por qué las elipses cambian juntas? ? Debido a la inestabilidad gravitacional. El campo de gravedad de una galaxia no es fruto de una fuerza externa fija, sino que proviene de las propias estrellas. Una ola comienza a formarse cuando las órbitas estelares se alinean por casualidad. El fortalecimiento de las interacciones gravitacionales debido a la proximidad de las estrellas cambia la velocidad de precesión de las elipses. El acelerador más lento y más lento hasta la sincronización. La onda de densidad se amplifica así.

Cuando una estrella se une al área de sobredensidad de la ola, queda temporalmente atrapada allí por la gravedad; Después de un período de tiempo, se libera y escapa de la ola. Las estrellas capturadas por la ola garantizan la persistencia de la estructura. Los brazos de una galaxia espiral resultan de una sobredensidad local de estrellas debido a la alineación de las órbitas estelares.

Además del círculo de corotación, hay dos círculos particulares en el disco galáctico, uno dentro del círculo de corotación y el otro afuera, llamados resonancias de Lindblad después del astrónomo sueco Bertil Lindblad. Las estrellas cuya órbita coincide con estas resonancias están «sincronizadas» con la onda de densidad: el período de precesión de sus órbitas está en una relación completa con el de la onda. Esta coherencia refuerza sobre los pasajes el estrés ejercido por la ola sobre estas estrellas. Las resonancias de Lindblad y otros influyen en la forma

de las órbitas estelares y juegan el papel de las fronteras que delimitan la extensión de las ondas de densidad.

La teoría de las ondas de densidad explica cómo persisten la barra espiral y los brazos, pero poco después de que C. C. Lin y F. Shu lo propusieron, surgieron problemas. Alar Toomre, también del Instituto de Tecnología de Massachusetts, señaló que las ondas de densidad pierden energía al crear ondas de choque en el medio interestelar por el que pasan. Por lo tanto, algo debe regenerarlos. El mecanismo inicialmente propuesto involucraba propagaciones de ondas más complejas. En lugar de una sola onda, múltiples ondas, debido a inestabilidades gravitacionales locales, se extenderían al interior y al exterior del disco galáctico. El círculo de corotación actuaría como un espejo semi-reflectante que puede devolver o transmitir estas ondas, lo que les permite ganar energía a expensas de la energía rotacional de la galaxia. Las ondas se amplificarían propagándose en la región delimitada por las dos resonancias de Lindblad, como en una cámara resonante cósmica.

Gas en la ola

Este mecanismo para la reflexión y amplificación de ondas era una hipótesis plausible, pero las ecuaciones eran demasiado complejas para resolverse, excepto a costa de aproximaciones severas. Los astrónomos han implementado delicadas simulaciones digitales. Por desgracia, según los primeros resultados, las olas adicionales, en lugar de preservar la estructura espiral, aceleraron su destrucción. Al principio se desarrolla una espiral, pero se disipa rápidamente, dejando espacio para un bar. Los teóricos no pudieron evitar la formación de una barra sin contradecir otras observaciones.

Este obstáculo desapareció en las décadas de 1980 y 1990 cuando mis colegas y yo tuvimos la idea de incluir un nuevo ingrediente en las simulaciones: gas. Como el gas es solo unas pocas centésimas de la masa de galaxias espirales, los modeladores lo habían descuidado. Sin embargo, tiene un papel importante en la dinámica galáctica. Las nubes de gas interestelares a menudo chocan y disipan su energía cinética deformando e irradiando. Su velocidad así reducida y homogeneizada, las nubes de gas son más sensibles a las inestabilidades de las olas, como la superficie de un lago que está más perturbado por un guijarro cuando está tranquilo que cuando está agitado. Las estrellas, que rara vez se encuentran y, por lo tanto, conservan un rango más amplio de velocidades relativas, son, por otro lado, menos sensibles al paso de las olas.

Teniendo en cuenta el gas, las simulaciones reproducen una amplia variedad de morfologías galácticas. Las barras estelares actúan como agitador, impulsando continuamente la estructura espiral del gas, y la espiral es persistente. Además, el hecho de que las ondas incluyan gas resuelve varios problemas recurrentes en astronomía galáctica.

Para empezar, estas ondas explican la presencia de bandas de polvo en el borde frontal de los brazos espirales. Debido a colisiones, el gas, mezclado con polvo, pierde energía orbital y cae al centro. Como las órbitas inferiores son más rápidas, el gas corre delante de las estrellas en los brazos espirales (ver Figura 3).

Además, esta disipación de energía conduce a la caída de gas en la región central durante algunas rotaciones de la barra, una duración del orden de mil millones de años. Allí, se forman nuevas estrellas a partir del gas. Las ondas de densidad explican que la tasa de formación estelar sigue siendo alta en el centro de las galaxias.

Las olas también podrían ser la clave del misterio de alimentar agujeros negros en el corazón de la mayoría de las galaxias. La materia no se derrama en un agujero negro tan fácilmente como imaginas. Aunque la masa de una galaxia tiende a acumularse en el centro, la fuerza centrífuga se opone a este movimiento. Cuando la materia cae al centro, el momento angular general de la galaxia, producido por masa por distancia y por la velocidad a la que gravita, disminuye. Un principio de conservación requiere que para compensar la caída del material hacia el agujero negro central, una fracción del momento angular total se transfiera al exterior del disco mediante un mecanismo a escala galáctica. Bar y brazos espirales jugarían precisamente este papel.

Los astrónomos han observado que el gas cae sobre los agujeros negros en las bocanadas. Las olas explicarían esta dieta desigual. Primero, cuando el gas cae, alcanza una resonancia donde está en fase con la barra y, por lo tanto, no es muy sensible a su influencia (aparte de esta resonancia, ya que el gas está por delante de la barra, esto ejerce una pareja recordatorio sobre él). El gas luego se acumula en un anillo circular y da a luz a las estrellas. El gas y las estrellas en este anillo a su vez forman una onda barrada local, que deposita gas en el agujero negro. En nuestra galaxia, sospechamos la existencia de una «mini barra» incrustada en la barra central, y que gira mucho más rápido. Por lo tanto, las ondas de densidad no solo forman patrones decorativos: permiten que crezcan las galaxias.

En simulaciones tridimensionales, descubrimos un fenómeno casi sistemático. La barra central no solo el material en el plano del disco galáctico, sino que también lo levanta del disco. La trayectoria de las estrellas, como la de los planetas del Sistema Solar, siempre está muy ligeramente inclinada en comparación con el plano de la galaxia. Una estrella puede resonar con la onda barrada de modo que las oscilaciones verticales de su trayectoria estén en fase con el paso de la barra. Estas oscilaciones se amplifican, de modo que en las simulaciones, el disco galáctico se espesa considerablemente en las regiones adyacentes a las resonancias, lo que da a las regiones internas de las galaxias una forma de maní. Estos descubrimientos explicarían las formas extrañas observadas en el cosmos.

Grandeza y decadencia de las barras

Irónicamente, al drenar la materia al corazón de la galaxia, la barra central puede autodestruirse. La masa que se acumula en el centro desvía las estrellas y evita que sigan las órbitas regulares impuestas por la barra. Esta estructura barrada que parecía demasiado robusta cuando solo se tuvo en cuenta el componente estelar resulta frágil tan pronto como se incluye gas en los modelos. Sin embargo, si este mecanismo es correcto, cómo explicar la multitud de galaxias barradas observadas ? En luz visible, dos tercios de las galaxias tienen una barra, y una lectura infrarroja cercana realizada en 2002 elevó esta proporción a tres cuartos. La conclusión más plausible es que la barra se forma, destruye y reforma en un ciclo continuo.

La formación de una nueva barra es un desafío, porque la galaxia debe emerger de las condiciones que llevaron a la destrucción de la barra anterior. En particular, las órbitas estelares deben reposicionarse de acuerdo con un patrón regular con una velocidad angular relativa baja. Para reorganizarse de esta manera, la galaxia está aumentando grandes cantidades de gas intergaláctico. A medida que caen, las nubes de gas chocan, pierden energía y su órbita se regulariza. Su alto impulso angular ralentiza su caída, lo que promueve la inestabilidad del disco y deja la barra libre para volver a ensamblar. La cantidad de gas requerida es colosal: para reformar una barra, una galaxia debe duplicar su masa en diez mil millones de años. Los astrónomos de hoy saben que el espacio intergaláctico contiene suficientes tanques de gas para esto.

Para probar este modelo, debes mirar al pasado. El telescopio espacial Hubble es lo suficientemente potente como para discernir la forma de las galaxias de generaciones anteriores. El primer estudio en esta dirección, realizado entre 1998 y 2002 por el equipo de Sidney van den Bergh, del Instituto de astrofísica de Victoria en Columbia Británica, llevó a la conclusión de que los bares eran mucho más raros en el pasado. Este sorprendente resultado planteó dudas sobre el modelo de acumulación de gas, pero también sobre la teoría de la onda espiral completa: de hecho, las galaxias tempranas eran más ricas en gas y menos concentradas que hoy, y por lo tanto las barras deberían ser más frecuentes. Sin embargo, los resultados preliminares de Van den Bergh se han corregido: las barras son simplemente más difíciles de identificar en galaxias distantes. Estaban tan extendidos en el pasado como lo están hoy y, por lo tanto, son destruidos y reconstruidos a un ritmo constante, como lo predice la teoría. En otras palabras, las galaxias espirales no nacen con una forma dada, tachadas o no tachadas. Se transforman. Si se tachan las tres cuartas partes, una galaxia debe tener una barra tres cuartos de su vida. Durante estos períodos, la barra evita que el gas fresco suministre el centro. El gas se acumula en la periferia y, después de la disolución de la barra, se vierte en el centro y rejuvenece la galaxia.

Otra forma de ganar masa rápidamente para una galaxia es el canibalismo, es decir, la fusión con otras galaxias. Sin embargo, este proceso es destructivo. Una fusión a gran escala destruye el disco y da a luz a una galaxia elíptica, pero solo una minoría de galaxias son elípticas. Por el contrario, la acreditación suave del medio intergaláctico permite que las galaxias crezcan mientras conservan su forma. Las ondas de densidad redistribuyen el material ingerido y evitan que la galaxia se doble. Gracias a ellos, las galaxias están vivas y bien.

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