Revista Digital Universitaria
ISSN: 1607 - 6079 Publicación mensual
 
1 de mayo de 2011 Vol.12, No.5
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En el mundo de las galaxias
Vladimir Avila-Reese
CITA
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El estudio de las galaxias
El paradigma cosmológico...
Dificultades y retos
Conclusiones y la astronomía...
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Introducción


El conocimiento científico es uno de los motores de la evolución de la humanidad. La astronomía como ciencia básica genera un sustento clave e integral para este conocimiento. Ha sido justamente en el escenario astronómico que varias de las revoluciones científicas tuvieron lugar en el pasado. Como solía decir el gran cosmólogo soviético Yakov Zel’dovich, el cosmos no sólo es un laboratorio para pobres, en muchos casos, es el único laboratorio para estudiar diversos aspectos de la naturaleza. Hoy en día una nueva revolución científica se avecina en el seno de la astronomía disparada por descubrimientos relacionados al estudio de las galaxias y las estructuras que ellas conforman. Veamos más en detalle de qué se trata.

Por un lado, múltiples sondeos y evidencias astronómicas muestran que la edad actual del Universo es de 13 mil 700 millones de años, unas tres veces la edad del Sol y la Tierra. Es un Universo en expansión constituido por una infinidad de galaxias, mismas que tejen una compleja red cósmica de filamentos, nudos y enormes huecos; algo que se asemeja a una esponja (figura 1). Y cada galaxia a su vez está compuesta por decenas de millones a cientos de miles de millones de estrellas, gas y polvo interestelar, planetas, etc. Las galaxias son complejos “ecosistemas” donde se desarrollan la mayoría de los maravillosos fenómenos cósmicos, incluyendo el de la vida.

Figura 1. Estructura a gran escala del Universo vista en una estrecha rebanada del cielo del Norte. El color de cada galaxia está codificado de acuerdo a su luminosidad
Fuente: SDSS, www.sdss.org/

Por otro lado, el fósil cósmico más  antiguo que los astrónomos observan, la Radiación Cósmica de Fondo en Microondas (RCFM), proviene de una época cuando la edad del Universo fue 36 mil veces menor a la actual. En épocas anteriores no habían planetas, estrellas, galaxias; ni siquiera podían existir los átomos como tales pues la radiación del Universo caliente tenía energía suficiente como para arrancarles sus electrones (ionización) a los únicos tipos de núcleos atómicos que se formaron en las épocas de la Gran Explosión, los de hidrógeno y helio. No obstante, debido a la expansión del espacio, esta radiación se enfría y a los 380 mil años ya no puede interactuar más con los electrones, con la materia… y desde entonces viaja casi inalterada, simplemente enfriándose. Hoy la detectamos como la RCFM, misma que baña uniformemente el cielo y con timidez nos enseña cómo estaban las cosas en los albores del Universo: la materia ordinaria conformaba un plasma caliente en interacción con la radiación distribuida de manera bastante uniforme. Sólo con detectores ultra-sensibles en microondas es que se pudo descubrir impresa en la RCFM fluctuaciones extremadamente tenues sobre el fondo uniforme, con amplitudes de uno en diez o cien mil (anisotropías, figura 2). Estas “irregularidades” son mucho menores en proporción a las que deja el trazo de un lápiz con relación al espesor de la hoja de papel.

Figura 2. Mapa de las fluctuaciones de la RCFM en el cielo. Estas fluctuaciones son las semillas que evolucionan gravitacionalmente hasta convertirse en las estructuras cósmicas actuales. Fuente: NASA / WMAP Science Team, http://map.gsfc.nasa.gov/

El problema está planteado querido lector: ¿cómo es que de ese estado inicial caliente y casi uniforme, con fluctuaciones tan tenues, evolucionamos al complejo Universo actual de galaxias y filamentos? En la analogía con la hoja de papel, las galaxias actuales serían “corrugosidades” que se elevan hasta varios metros de altura sobre la misma! (ver video 1). El eslabón perdido entre el cosmos actual y el Universo caliente de la Gran Explosión está en las galaxias.

Video 1. Esquema bidimensional del crecimiento en amplitud de “irregularidades” muy tenues al principio.

El entender cómo evolucionan las galaxias, desde las tenues fluctuaciones primigenias hasta las complejas y densas estructuras del presente, constituye uno de los principales retos de la astronomía del siglo XXI. Pero además tal reto implica mucho más que entender per se la evolución de estos gigantescos sistemas y sus componentes, incluyendo el origen de las primeras estrellas y de la radiación que recalentó el grueso del gas intergaláctico. Implica también constreñir la naturaleza y propiedades de la misteriosa materia oscura, así como los procesos más tempranos del Universo, aquellos que ya no son accesibles a la observación directa pero que posiblemente dejaron impresa su huella en las galaxias y su distribución espacial. Por otro lado, los sondeos de observación del cielo que se están planeando con los instrumentos más sofisticados del futuro (incluyendo a México), permitirán usar las poblaciones de galaxias observadas a diferentes épocas como trazadoras de la historia de expansión del Universo y dar cuenta así de las propiedades de ese medio repulsivo que hoy en día está produciendo una aceleración en la expansión, medio que se estima es más del 70% de lo que hay en el Universo actual y que se bautizó como energía oscura.

La sorpresiva composición del Universo actual establecida tras múltiples sondeos cosmológicos (ver Fig. 3), donde la materia ordinaria es sólo un 4.5%, requiere de explicaciones: ¿qué es ese 22.5% que llamamos materia oscura y que domina por completo en las galaxias? ¿qué es ese 73% que llamamos energía oscura y al que le achacamos la reciente aceleración de la expansión del Universo? ¿Qué rol juegan en la evolución del Universo y en la constitución del mundo de las partículas elementales estas componentes invisibles que los astrónomos han descubierto? ¿O podría ser que más que de nuevas componentes se trata de evidencias de nuevas leyes de la física o de una nueva teoría cosmológica o de la existencia de más dimensiones espaciales… o de algo más? 

Figura 3. Composición del Universo actual.

Sea cual sea la respuesta, introducirá un nuevo paradigma en la ciencia. Y para encontrarla, la principal herramienta de búsqueda seguirá siendo el estudio de las galaxias y su evolución. Este estudio abrió un nuevo horizonte de conocimientos —una verdadera caja de Pandora— el cual ya no se puede ignorar y habrá que recorrerlo hasta sus últimas consecuencias.

¿Qué son las galaxias?

El descubrimiento de las galaxias se dio hace menos de 90 años atrás por parte del brillante astrónomo Edwin Hubble (escuchar audio, duración 3:01 min).Resolviendo estrellas y midiendo distancias hacia objetos difusos que se descubrían con los telescopios de la época, Hubble llegó a la conclusión de que muchos de estos objetos estaban a millones de años luz de distancia, muy lejos para ser cuerpos asociados a estrellas; se trataba más bien de conglomerados de miles de millones de estrellas, verdaderas “islas del Universo”.  La primera galaxia que él reportó en 1924 fue Andrómeda y resultó ser la compañera casi gemela de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

La Vía Lácteaes un sistema gravitacionalmente ligado de al menos 200 mil millones de estrellas, gas y polvo interestelares, campos magnéticos y radiación, todo agrupado en un disco de más de 100 mil años luz de diámetro y un esferoide de estrellas viejas (bulbo) en el centro (figura 4).  En el disco hay estrellas de todas las edades, incluyendo muchas en gestación o muy jóvenes; éstas se disponen principalmente a lo largo de preciosos brazos espirales donde se apila también mucho gas frío del cual se forman justamente las estrellas. La mayor parte del disco está rotando a grandes velocidades. El Sol, por ejemplo, se está moviendo a lo largo de su órbita a unos 800 mil kilómetros por hora.  Pero la Vía Láctea es tan grande que una vuelta completa, incluso a semejante velocidad, le toma más de 220 millones de años. Imagínese usted, ni los dinosaurios existían cuando dimos la última vuelta. 


Figura 4
. Esquema de frente y de costado de la parte visible de la Vía Láctea.

Por otro lado, con esa velocidad de rotación el disco tendría que estar desbaratándose a menos que algo lo mantenga cohesionado; ese algo es la atracción gravitacional producida por la materia. Sin embargo la estimación de toda la masa contenida en estrellas, gas y polvo está muy por debajo de lo requerido para mantener confinado un disco rotando tan rápido. Por ésta y otras razones, los astrónomos infieren que en realidad la Vía Láctea y todas las galaxias están embebidas en enormes esferoides de materia invisible (halos), con masas 20 y más veces mayores a la de la galaxia que brilla. Es la famosa materia oscura, posiblemente el ingrediente más importante de las galaxias, el que más abunda y el molde que les imprime sus principales propiedades visibles.

Andrómeda y el 30-40% de las galaxias del Universo son más o menos como la Vía Láctea. Aunque las hay de tipos muy diferentes y con tamaños mucho menores y mayores (ver abajo), en general la definición de una galaxia se puede parafrasear así: es un sistema de estrellas, medio interestelar y campos magnéticos ligado gravitacionalmente principalmente por un enorme halo de materia oscura; en este sistema las estrellas nacen, viven y mueren en constante interacción con el medio interestelar del cual se forman y al cual inyectan luego energía y elementos químicos procesados en sus entrañas. Pero las galaxias, desde el punto de vista del Universo como un todo, se pueden definir también como las mínimas unidades estructurales del mismo, las desviaciones de la homogeneidad (perturbaciones) que evolucionaron gravitacionalmente (video 1) y que como tales tejen la estructura a gran escala del Universo y trazan su movimiento global de expansión.


 
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