¡Galaxias!

Estimado Zephyros:
 
En torno a tus dudas, te diré que, no eres el único que se interesa por todas esas cuestiones que planteas. James Trefil, en su obra, la Cara oculta del Universo, nos habla de todo eso y, también deja al descubierto sus muchas dudas sobre el origen de las galaxias y sus conformaciones en distintas morfologías.
 
Hay un artículo que se denomina Galaxias de gran diseño, escrito por John Beckman, en el que nos explica como se clasifican las galaxias y comienza diciendo:
 
” Cuando Edwin Hubble, en la tercera década del siglo XX comprobó, usando las estrellas variables Cefeidas como candelas estándares, que las galaxias son estructuras estelares muy masivas y fuera de la Vía Láctea, empezó a producir sistemáticamente imágenes de ellas con el telescopio de 60 pulgadas en el Observatorio de Monte Wilson. Produjo su famosa “Diagrama de dispasón” de clasificación:


Spiral: Sa, Sb, Sc y Sd.
Elliptical: E0, E6 y S0.
Barred Spiral: SBa, SBb, SBe, y SBd.
Irregular: (todas incluidas en el mismo canasto).
 
Así que la clasificación de las galaxias según Hubble, en su diagrama clásica de Diapasón, son las que antes reseñamos según categorías. Las de gran diseño son las Sb-Sd, y las SBb-SBd (B significa barrada, y los sufijos entre a y d significan razón disco: bulbo creciente).
 
Las galaxias elípticas, tienen masas mayores, pero son más rojas porque sus poblaciones estelares son más viejas, mientras que, las esperiles, están todavía formando sus estrellas, y son más azules. La división de las espirales en barradas y no barradas da lugar a la división del diagrama en sus dos ramas básicas. Hubble pensó que el diagrama mostraba una traza evolutiva: que las elípticas se forman primero, y llegan a formas espirales durante su evolución.
 
Esa idea dio lugar a la nomenclatura “temprana” para las elípticas, y “tardía” para las espirales, que se usa todavía, aún a sabiendas que la clasificación de Hubble no representa un camino evolutivo. Las espirales sin barra, en la rama superior del diagrama, se suelen llamar “normales”, pero las observaciones modernas, sobre todo en el infrarrojo, han mostrado que la mayoría de las galaxias espirales, alrededor de dos tercios de ellas, tienen barras, con lo cual las barradas realmente son las normales. Las irregulares son en general galaxias amorfas de forma y llenas de estrellas jóvenes. Aunque ha habido trabajo detallado que ha dado lugar a esquemas de clasificación más completas, el Diagrama de Hubble da un resumen empírico y sencillo de los tipos principales, útil para entender la física subyacente.


La formación y la evolución de las galaxias


Según el Modelo “Estándar” de λCDM cosmología la formación de las galaxias se ha iniciado por la condensación gravitatoria de “halos” de materia oscura que se formaron debida a las fluctuaciones primordiales de densidad en la materia total del universo. La materia oscura domina la materia bariónica en una razón de aproximadamente 7:1, pero cada halo, al condensar bajo su propia gravedad, trae consigo su fracción de bariones que da lugar a la galaxia. Las galaxias grandes se producen por la aglomeración de los halos que da lugar a la aglomeración de las galaxias dentro de ellas, el proceso llamado fusión (en inglés “merging”). El proceso global es jerárquico.
 
La estructura a gran escala engloba condensaciones de tamaño variado, desde cúmulos con miles de galaxias, a grupos de dos o tres. En los centros de los cúmulos más masivos todos los procesos evolutivos ocurren más rápidamente. La conversión de hidrógeno en estrellas procede con rapidez, y las masas acumuladas son mayores. Así en los cúmulos masivos predominan las galaxias elípticas, que han consumido todo su gas y que evolucionan más o menos pasivamente.
 
Durante los múltiples fusiones que dan lugar a una elíptica, el momento angular se anula y las elípticas o rotan muy lentamente o no rotan. Al contrario, una galaxia que se produce por una simple condensación, o por la condensación de una masa central dominante con otras mucho menores retiene un eje preferido de rotación, y momento angular considerable. Bajo estas circunstancias, al llegar una galaxia menor, o a fortiori una nube de hidrógeno con una masa de millones de masas solares dentro del campo de gravedad del objeto en rotación se tiende a incorporar en la galaxia en la forma de un disco de acreción. De esta manera se forman las galaxias espirales. Ellas se forman en las zonas donde la cantidad de gas intergaláctica permanece importante, y se surten continuamente por ese gas, con lo cual consiguen mantener un ritmo de formación estelar bastante constante durante Gaños, fracciones apreciables de tiempo de Hubble, es decir de la edad del universo (13,7 Gaños). Por ello las galaxias espirales tienen colores más azules, debido a la presencia actual de cúmulos de estrellas masivas en formación continua, en contraste con las elípticas con sus poblaciones de estrellas más viejas y más rojas.
 
Las galaxias de gran diseño: observaciones y paradojas
 
En las galaxias más tempranas la parte central, el bulbo, domina la distribución de la masa bariónica, es decir de las estrellas, mientras que en las tardías la parte exterior, el disco es la más importante. En los discos se destacan los brazos espirales, cuya prominencia ha originado el nombre galaxia espiral, y en los brazos se destacan los cúmulos de estrellas OB, las más masivas. Su radiación ionizante causa las regiones H II, zona de Hidrógeno ionizado que las rodean. En algunas de las galaxias con disco hay formación estelar en todas partes del disco, pero en otras los brazos son nítidos, y la formación estelar se concentra mayoritariamente en ellos. Estos dos tipos se llaman respectivamente floculentas y de gran diseño. Las más simétricas de las segundas contienen dos brazos muy brillantes, y simétricamente opuestas.
 
La presencia de brazos espirales no tiene una explicación trivial. Hay dos paradojas que resolver, la paradoja del rebobino, y la paradoja de la población estelar. La segunda es la más sencilla: la vida de una estrella OB es del orden de 10 Maños.mientras la vida de los discos de las galaxias (estimada por las edades de sus estrellas) se mide en Gaños. Pero una fracción muy alta de los discos tienen brazos con estrellas OB. ¿Cómo explicarlo?, la primera paradoja se debe a que al medir la velocidad de rotación de las estrellas de una galaxia espiral alrededor de su núcleo, encontramos una velocidad circular que se mantiene casi constante sobre una buena parte del disco. Pero esto implica que la velocidad angular se reduce linealmente con el radio galactocentrico.
 
Los números implican que las estrellas en el disco tienen que rebobinarse por completo en períodos de 100 Maños, que sería el límite de la vida de los brazos. Sin embargo, y repito, la vida de los discos es del orden de Gaños, con lo cual solamente la décima parte de las galaxias con discos deben tener los brazos espirales, y no la gran mayoría. La resolución de estas dos paradojas es la misma. Se trata del escenario de las ondas espirales de densidad. Lindblad, y Lin, mostraron que la rotación del fluido que representa el conjunto de las estrellas en un disco produce ondas de densidad estelar que giran por el disco con un patrón espiral. La velocidad angular del patrón puede permanecer casi constante con radio durante periodos largos. Aunque la amplitud de la onda típica no es muy alta (del orden de 5% a 10% de la densidad promedia local), si hay una fracción importante de gas en el disco, la onda comprime el gas. La velocidad de pasaje de la onda es, en gran parte del disco, supersónica, y produce un frente de choque. Asociada con ese frente hay zonas de formación estelar, en consecuencia de la compresión global del gas. Esas zonas de formación estelar giran de forma espiral con la onda, y generan los brazos, que se marcan por un aumento ligero de la densidad de las estrellas viejas, más un aumento notable de la densidad del gas de las estrellas nuevas. La onda de densidad no se rebobina, y forma aquellas continuamente, mientras hay surtido de hidrógeno. Así se resolvieron las dos paradojas de los brazos.
 
Bulbos, barras, y truncamientos
 
La estructura de una galaxia de gran diseño se marca por los elementos estructurales principales, que además del disco normalmente incluyen un bulbo y una barra. La razón de masas entre el bulbo y la barra es uno de los parámetros definitorios de la clasificación de Hubble: gañlaxias con bulbos grandes se definen como tempranas, y con bulbos pequeños como tadías.
 
Sin embargo en el último lustro se han dado cuenta de que muchos bulbos no tienen estructuras esferoidales, como antes se pensaba, sino que tienen perfiles de brillo con declive exponencial, es decir, con discos espesos. Sus estrellas giran en órbitas circulares, y no orientadas con ejes al azar, de forma “gaseosa” como se suponía. Estas estructuras se llaman pseudobulbos, y la hipótesis sobre ellos es que son el resultado de la acumulación secular de estrellas en la zona central durante la vida del disco, y no la consecuencia de un colapso rápido del tipo que da lugar a un bulbo clásico esferoidal.
 
Este escenario viene reforzado por trabajos recientes sobre las barras. Esta muy conocido que es un disco fino de estrellas en rotación se desarrolla una inestabilidad que da lugar a una barra, y por eso la mayoría de las galaxias con disco están barradas. Sin embargo, sólo recientemente se han hecho simulaciones numéricas sobre la evolución de una barra en una galaxia dominado por su lado de materia oscura, que predicen que las barras se deforman, tomando la forma de un cacahuete, y después una parte de su población estelar fluye hacia el centro de la galaxia. Puede haber más de un episodio de este comportamiento, del cual todas sus fases se observan en una muestra de galaxias normales. Combinando este fenómeno con con el efecto de la barra al conseguir un flujo de gas hacia el centro donde se forman más estrellas, se produce el efecto secular del desarrollo del pseudobulbo.
 
Finalmente en los años 80 se descubrió que los discos se terminan en truncamientos, caídas abruptas en su densidad estelar. En la última década, sin embargo, con observaciones más precisas, se sabe que un truncamiento es solamente un cambio de pendiente de la caída del brillo superficial, no abrupto, y que más de la mitad de los discos no terminan en truncamiento. Es más, con observaciones del satélite GALEX se ha descubierto estrellas recién formadas en las afueras de los discos, en radios más grandes que el punto del truncamiento. Todo eso ha dado lugar a modelos evolutivos completos, combinando la migración de la población estelar causado por las anisotropías de las barras y los brazos, con la formación estelar continuo debido a la caída continua de hidrógeno fresco al disco. Estos modelos se están comprobando con galaxias en las etapas de su evolución, mediante imágenes con el telescopio Hubble en función del corrimiento al rojo, es decir de la época cosmológica.”
 
Hasta aquí lo que nos dice John Beckman del Instituto de Astrofísica de Canarias que, con mucha voluntad ha tratado de hacernos comprender muchos de los misterios que rodean a las galaxias. Sin embargo, tantas explicaciones, no han sido suficientes como para que, las preguntas realizadas por Zephyros queden contestadas y, según creo, pasará algún tiempo antes de que, alguien pueda dar una explicación satisfactoria de por qué, las galaxias, tienen las formas que tienen y nos muestran esa diversidad que, desde luego, tienen un origen desconocido para nosotros.
 
Las primeras estrellas no aparecieron en nuestro Universo hasta que no habían pasado unos 200 mil años desde la gran explosión. Posteriormente (mucho después) se formaron las galaxias y, algunas de ellas, las más tempranas, han podido ser vistas a través del Hubble. Ha tenido que pasar tanto tiempo para que las galaxias se formen que, nuestra especie (una recien llegada en un planeta minúsculo a 30 mil a.l. del centro de su Galaxia), aún no ha podido tener el tiempo suficiente, ni los elementos de juicio necesarios para poder saberlo todo sobre las Galaxias, esas estructuras enormes que, cuajadas de estrellas y mundos, son las únicas que pueden suministrar al Universo, a los observadores que puedan plantear preguntas que no siempre pueden ser contestadas.
 
Amigo Zephyros, si te aclara algo todo lo anterior me alegro. Mi única intención, como siempre lo es y para todos los amigos del lugar, es procurar complacer en lo que pueda pero, deben comprender que, al igual que todos ustedes, tenga más dudas que respuestas.
Un saludo cordial.