Astronomía
Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta sección, serás capaz de:
- Describir la estructura de la galaxia de la Vía Láctea y cómo la descubrieron los astrónomos
- Comparar modelos teóricos para la formación de brazos espirales en galaxias de disco
Los astrónomos pudieron hacer enormes progresos en la cartografía de la estructura espiral de la Vía Láctea tras el descubrimiento de la línea de 21 cm que proviene del hidrógeno frío (véase Entre las estrellas: gas y polvo en el espacio). Recordemos que el efecto de oscurecimiento del polvo interestelar nos impide ver estrellas a grandes distancias en el disco en longitudes de onda visibles. Sin embargo, las ondas de radio de 21 cm de longitud de onda atraviesan el polvo, lo que permite a los astrónomos detectar átomos de hidrógeno en toda la Galaxia. Otros estudios más recientes sobre la emisión infrarroja de las estrellas del disco han proporcionado una perspectiva similar, libre de polvo, de la distribución estelar de nuestra Galaxia. A pesar de todos estos avances en los últimos cincuenta años, aún estamos empezando a determinar la estructura precisa de nuestra Galaxia.
Los brazos de la Vía Láctea
Nuestras observaciones de radio del componente gaseoso del disco indican que la Galaxia tiene dos brazos espirales principales que emergen de la barra y varios brazos más débiles y espuelas más cortas. Se puede ver un mapa de la estructura de los brazos de nuestra galaxia, elaborado recientemente a partir de estudios en el infrarrojo, en la Figura 1.
Figura 1. Barra y brazos de la Vía Láctea: Aquí vemos la galaxia de la Vía Láctea como se vería desde arriba. Esta imagen, ensamblada a partir de datos de la misión WISE de la NASA, muestra que la Vía Láctea tiene una modesta barra en sus regiones centrales. Dos brazos espirales, Scutum-Centaurus y Perseo, emergen de los extremos de la barra y envuelven el bulbo. Los brazos Sagitario y Exterior tienen menos estrellas que los otros dos brazos. (crédito: modificación del trabajo de NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech))
El Sol se encuentra cerca del borde interior de un brazo corto llamado Espolón de Orión, que tiene una longitud de unos 10.000 años luz y contiene elementos tan llamativos como la Falla de Cygnus (la gran nebulosa oscura de la Vía Láctea en verano) y la brillante Nebulosa de Orión. La figura 2 muestra algunos otros objetos que comparten esta pequeña sección de la Galaxia con nosotros y que son fáciles de ver. Recuerde que cuanto más lejos intentemos mirar desde nuestro propio brazo, más se acumula el polvo de la Galaxia y dificulta su visión con luz visible.
Figura 2. Espolón de Orión: El Sol se encuentra en el Espolón de Orión, que es un brazo espiral menor situado entre otros dos brazos. En este diagrama, las líneas blancas señalan algunos otros objetos notables que comparten esta característica de la Vía Láctea con el Sol. (crédito: modificación de un trabajo de NASA/JPL-Caltech)
Formación de la estructura espiral
A la distancia del Sol a su centro, la Galaxia no gira como una rueda sólida o un CD dentro de su reproductor. En cambio, la forma en que los objetos individuales giran alrededor del centro de la Galaxia se parece más al sistema solar. Las estrellas, así como las nubes de gas y polvo, obedecen a la tercera ley de Kepler. Los objetos más alejados del centro tardan más en completar una órbita alrededor de la Galaxia que los más cercanos al centro. En otras palabras, las estrellas (y la materia interestelar) que se encuentran en las órbitas más grandes de la Galaxia van detrás de las que se encuentran en las más pequeñas. Este efecto se denomina rotación galáctica diferencial.
La rotación diferencial parece explicar por qué gran parte del material del disco de la Vía Láctea se concentra en rasgos alargados que parecen brazos espirales. Independientemente de la distribución original del material, la rotación diferencial de la galaxia puede estirarlo en forma de espirales. La figura 3 muestra el desarrollo de brazos espirales a partir de dos manchas irregulares de materia interestelar. Obsérvese que a medida que las porciones de las manchas más cercanas al centro galáctico se mueven más rápido, las más alejadas se quedan atrás.
Figura 3. Modelo simplificado de la formación de los brazos espirales: Este esquema muestra cómo podrían formarse los brazos espirales a partir de nubes irregulares de material interestelar estiradas por las diferentes velocidades de rotación en toda la galaxia. Las regiones más alejadas del centro galáctico tardan más en completar sus órbitas y, por lo tanto, van por detrás de las regiones interiores. Si éste fuera el único mecanismo de creación de los brazos espirales, con el tiempo los brazos espirales se acabarían por completo y desaparecerían. Dado que muchas galaxias tienen brazos espirales, deben ser de larga duración, y debe haber otros procesos en funcionamiento para mantenerlos.
Pero esta imagen de los brazos espirales presenta a los astrónomos un problema inmediato. Si eso fuera todo, la rotación diferencial -a lo largo de los aproximadamente 13.000 millones de años de historia de la galaxia- habría ido apretando cada vez más los brazos de la galaxia hasta hacer desaparecer toda apariencia de estructura espiral. Pero, ¿tenía realmente la Vía Láctea brazos espirales cuando se formó hace 13.000 millones de años? ¿Y los brazos espirales, una vez formados, duran tanto tiempo?
Con la llegada del telescopio espacial Hubble, ha sido posible observar la estructura de galaxias muy lejanas y ver cómo eran poco después de que empezaran a formarse hace más de 13.000 millones de años. Lo que muestran las observaciones es que las galaxias en su infancia tenían regiones brillantes y aglomeradas de formación estelar, pero no tenían una estructura espiral regular.
En los siguientes miles de millones de años, las galaxias comenzaron a «asentarse». Las galaxias que iban a convertirse en espirales perdieron sus cúmulos masivos y desarrollaron una protuberancia central. La turbulencia en estas galaxias disminuyó, la rotación empezó a dominar los movimientos de las estrellas y el gas, y las estrellas empezaron a formarse en un disco mucho más tranquilo. Los cúmulos de estrellas más pequeños empezaron a formar brazos espirales difusos y poco definidos. Los brazos espirales brillantes y bien definidos sólo empezaron a aparecer cuando las galaxias tenían unos 3.600 millones de años. Al principio, había dos brazos bien definidos. Las estructuras de múltiples brazos en las galaxias, como las que vemos en la Vía Láctea, sólo aparecieron cuando el universo tenía unos 8.000 millones de años.
Discutiremos la historia de las galaxias con más detalle en La evolución y distribución de las galaxias. Pero, incluso a partir de nuestra breve discusión, se puede tener la sensación de que las estructuras espirales que ahora observamos en las galaxias maduras han llegado más tarde en la historia completa de cómo se desarrollan las cosas en el universo.
Los científicos han utilizado cálculos de superordenadores para modelar la formación y evolución de los brazos. Estos cálculos siguen los movimientos de hasta 100 millones de «partículas estelares» para ver si las fuerzas gravitacionales pueden hacer que formen una estructura en espiral. Lo que muestran estos cálculos es que las nubes moleculares gigantes (de las que hablamos en Entre las estrellas: gas y polvo en el espacio) tienen suficiente influencia gravitatoria sobre su entorno como para iniciar la formación de estructuras que parecen brazos en espiral. Estos brazos se autoperpetúan y pueden sobrevivir durante al menos varios miles de millones de años. Los brazos pueden cambiar de brillo con el tiempo, ya que la formación de estrellas va y viene, pero no son características temporales. La concentración de materia en los brazos ejerce una fuerza gravitatoria suficiente para mantenerlos unidos durante largos periodos de tiempo.
Conceptos clave y resumen
La distribución gaseosa en el disco de la Galaxia tiene dos brazos espirales principales que emergen de los extremos de la barra central, junto con varios brazos más débiles y espolones cortos; el Sol se encuentra en uno de esos espolones. Las mediciones muestran que la galaxia no gira como un cuerpo sólido, sino que sus estrellas y el gas siguen una rotación diferencial, de modo que el material más cercano al centro galáctico completa su órbita más rápidamente. Las observaciones muestran que las galaxias como la Vía Láctea tardan varios miles de millones de años desde que comenzaron a formarse en desarrollar una estructura espiral.
Glosario
rotación galáctica diferencial:
la idea de que las distintas partes de la Galaxia giran a ritmos diferentes, ya que las partes de la Galaxia siguen la tercera ley de Kepler: los objetos más distantes tardan más en completar una órbita completa alrededor del centro de la Galaxia
brazo espiral:
una región en forma de espiral, caracterizada por material interestelar relativamente denso y estrellas jóvenes, que se observa en los discos de las galaxias espirales