La importancia de las galaxias para explorar el Universo

El origen del concepto

El estudio de las galaxias (del griego galaktos, que significa “leche”) como entidades independientes y externas a la Vía Láctea —a la que pertenece el Sol— tiene apenas cien años. A pesar de que se descubrieron como objetos hace más de un siglo¹ fue en la década de 1920 cuando, gracias a las exploraciones de Edwin Hubble, finalmente se entendió que se trataba de elementos similares a nuestra propia galaxia, externos a la misma y situados a enormes distancias con respecto a su tamaño. Hoy sabemos que existen miles de millones de ellas y que son las constituyentes esenciales de nuestro universo.

Documentos científicos de William Herschel publicados por The Royal Society y The Royal Astronomy Society, Londres 1912. © The University of Chicago Library

Componentes de las galaxias

Al igual que la Vía Láctea, el resto de las galaxias están constituidas esencialmente por estrellas, producto de las reacciones termonucleares que transforman el gas primordial (principalmente hidrógeno y helio, como mostró el mexicano Manuel Peimbert en los años setenta del siglo pasado) en la cascada de elementos físicos que pueblan la tabla periódica. El gas es uno de los componentes principales de las galaxias y se extiende más allá de las regiones donde se encuentran las estrellas. Este gas puede tomar diversas formas: alcanza temperaturas que van desde millones a decenas de grados, y densidades de menos de una partícula por milímetro cúbico a otras tan altas como decenas de miles de partículas por centímetro cúbico. Es en este gas frío y denso que se forman las estrellas.

​ Cuando se acaba el hidrógeno, las estrellas masivas explotan en forma de supernova o pierden sus capas exteriores de forma más lenta (gigantes rojas), hasta apagarse. Los elementos que se formaron en su interior entonces se liberan y polucionan el gas en su entorno, que cambia su composición química con cada ciclo de generación y apagado de estrellas. Los elementos pesados pueden agregarse hasta formar granos de polvo que, aunque representan menos del 1 por ciento de la masa total de una galaxia afectan las observaciones que hacemos de ellas: el polvo dispersa y absorbe la luz, atenuándola y cambiando sus colores.

​ Gracias al estudio de las órbitas que describen las estrellas, el gas y el polvo (componentes que forman un sistema dinámico autogravitante) se descubrió un componente adicional en las galaxias: la materia oscura, descubierta por la astrónoma V. Rubin. No es observable de forma directa, pues al no ser sensible a las fuerzas electromagnéticas, no emite ni absorbe luz; sin embargo, es necesaria para explicar el movimiento observado. La materia oscura se extiende hasta alcanzar tamaños mucho mayores que el resto de los componentes y forma lo que se conoce como “halo”, y representa aproximadamente el 90 por ciento de toda la materia en las galaxias (apenas del 20 al 50 por ciento en la región ocupada por las estrellas, el gas y el polvo). Estos halos, formados instantes después de la Gran Explosión a partir de pequeñas fluctuaciones de densidad, trazan la estructura misma del universo y constituyen uno de los objetos de estudio primarios de la cosmología. Hoy sabemos que las protogala­xias se forman en estos halos como parte de la caída y concentración de gas, así como de los procesos de transferencia del momento angular (velocidad de rotación). Por lo tanto, preceden a las galaxias que los habitan.

El centro luminoso es el corazón de la galaxia M61, que alberga un agujero negro masivo de más de 5 millones de veces la masa del Sol. Galaxia espiral M61, 2021. Fotografía del ESA/Hubble y NASA, ESO, J. Lee y el equipo de PHANGS-HST

Tipos de galaxias

El ciclo de formación y muerte de las estrellas, la adquisición y salida de gas, y la forma en la que estos componentes están ligados en órbitas más o menos ordenadas, definen cómo se observan las galaxias. Desde los estudios seminales de Hubble hasta los resultados más recientes basados en grandes catastros de ga­­laxias, se ha descrito la existencia de dos grandes grupos de ellas: el primero, las gala­xias espirales, a las que pertenece la Vía Láctea, se caracterizan por tener una mayor proporción de gas frío, ser formadoras de estrellas, y por contar con poblaciones estelares jóvenes. Como estas son notablemente azules y muy luminosas, en ellas domina la luz visible; las galaxias espirales presentan también este tipo de colores. En estos objetos aparecen patrones ordenados de órbitas, distribuidos de forma más o menos uniforme en un mismo plano y conformadas por un disco, en el cual se aprecian las estructuras espirales que les dan nombre. También hay evidencias de polvo, que oscurece y modifica el color de ciertas regiones formando líneas definidas en sus espectros. Se encuentran en zonas poco densas dentro del universo.

​ El segundo grupo lo conforman las galaxias elípticas, que contienen una menor cantidad de gas frío y polvo, no forman estrellas actualmente, y muestran poblaciones estelares envejecidas. La ausencia de estrellas jóvenes masivas y luminosas les confiere un color más rojizo. Además, las órbitas en estas galaxias no siguen un patrón definido, por lo que no se localizan en un plano concreto. Como resultado, las ga­la­xias de este tipo tienen una estructura elipsoidal triaxial. La ausencia de brazos (regiones donde se forman estrellas) hace que la distribución de luz de estos objetos sea suave, sin estructuras claramente definidas. A diferencia de las espirales, son más frecuentes en zonas con mayor densidad de galaxias.

​ A las galaxias espirales se les conoce también como “galaxias tardías”, y a las elípticas como “tempranas”, ya que los primeros estudios supusieron (erróneamente) que las primeras se formaron más tarde que las segundas. Esta separación entre galaxias es una simplificación, pues en el centro de las espirales se encuentra una estructura llamada “bulbo”, la cual puede comprender una fracción muy alta de la totalidad de la masa (y de la luz) de estos objetos o simplemente no existir. El descubrimiento del bulbo y de la forma de los brazos espirales dio lugar a una segregación entre las gala­xias espirales: las espirales tempranas (aquellas que presentan un bulbo prominente) y las espirales tardías (las que apenas presentan bulbo o carecen de él). En las zonas centrales de una fracción de las galaxias espirales (un 30 por ciento) se puede observar una estructura con forma de cilindro, compuesta por estrellas viejas cuyo patrón de órbitas gira a una velocidad angular constante. Esta estructura se conoce como “barra”, y es un gran perturbador de órbitas, lo que da lugar a transferencias de gas radicales, tanto de dentro hacia fuera como de fuera hacia dentro.

​ Debido a que la luz se desplaza a una velocidad fija, la observación de galaxias lejanas nos informa cómo eran estos objetos anteriormente. Las más próximas a nosotros, las que mejor conocemos y que conforman el llamado universo cercano (menos de 300 millones de años luz), cubren cerca del 2 por ciento final del tiempo total transcurrido desde que se formó el universo. En esta población de galaxias encontramos una mayor proporción de espirales (aproximadamente el 70 por ciento) que de elípticas (cerca del 30 por ciento, con más masa estelar y menor fracción de gas que las primeras). Sin embargo, estos números cambian a medida que vamos atrás en el tiempo. La fracción de espirales era más numerosa en el pasado, en general todas las galaxias contenían más proporción de gas y también formaban estrellas a mayor velocidad.

​ Las galaxias del pasado tenían menos masa estelar (apenas la habían formado), poblaciones más jóvenes y una metalicidad menor (los metales aún no se habían generado).² Además, las galaxias no evolucionan de forma aislada. Ya sea por el efecto de gravedad diferencial —cuando una galaxia se acerca a otra— o por la caída y fusión de una galaxia en otra, lo cierto es que interaccionan entre sí. El promedio de las distancias entre ellas es actualmente mucho más grande que sus tamaños, de manera que las relaciones y fusiones son poco probables. Hay que recordar que las galaxias se agrupan, por lo que no todas están a la misma distancia unas de otras. Cada uno de estos procesos las afectan: las interacciones entre galaxias implican un intercambio de gas entre ellas y un cambio en la composición química; alteran el patrón de las órbitas, haciendo que el gas pueda caer al centro y que aumente o disminuya la formación de estrellas; generan patrones más caóticos, promoviendo la creación y el crecimiento de bulbos y galaxias elípticas. Si las galaxias se fusionan, la nueva entidad presentará una mezcla de estrellas y gas resultante de la evolución de cada galaxia por separado. Las galaxias elípticas sufrieron más fusiones, formaron estrellas en etapas más tempranas y consumieron el gas disponible (o lo calentaron). Por el contrario, las espirales han sufrido menos fusiones recientes y no han acabado con el gas o reciben aportes de gas externo, por lo que están formando estrellas de manera constante.

Fotografía de ©César Cantú. Cortesía del artista

Evolución de las galaxias

Las galaxias más cercanas son consecuencia de todos los procesos evolutivos que han tenido lugar desde la formación del universo: desde la caída, colapso y formación estelar inicial de gas en un halo primitivo, hasta el árbol de fusiones entre halos, la incorporación de estrellas y gas proveniente de las galaxias con las que colisionan y la caída de gas primigenio del entorno. Estos procesos dejan huellas en cada galaxia, incluida la Vía Láctea, que permiten realizar exploraciones de auténtica arqueología o paleontología astrofísica. En la última década, el Instituto de Astronomía de la UNAM ha participado de forma activa en algunos de los proyectos más importantes enfocados en este tipo de exploraciones. Ha realizado estudios sobre las propiedades físicas espacialmente resueltas de las galaxias del universo cercano (por ejemplo, CALIFA)³ y, de forma reciente, la exploración de propiedades similares en nuestra galaxia (como el Slow Digital Sky Survey o SDSS).⁴ Los resultados de estas investigaciones se han publicado en un centenar de artículos científicos, lo que ha dado lugar a una decena de tesis de doctorado y maestría que han tenido una buena acogida por parte de la comunidad internacional, así como una gran repercusión debido a que han ampliando el conocimiento sobre las galaxias más cercanas a nosotros.

Imagen de portada: Fotografía de ©César Cantú. Cortesía del artista