Las misteriosas formas de las galaxias

Nos adentramos en uno de los mayores misterios para los astrofísicos: cómo se crean, conforman y destruyen estos mundos.

La apariencia de las galaxias nos revela su historia, pero cómo se formaron y cómo evolucionan sigue siendo un enigma para los astrónomos y astrofísicos. Las estrellas también siguen unos patrones de creación y destrucción que el hombre aún intenta comprender. Las observaciones de Edwin Hubble abrieron una apasionante trayectoria. En 1926 un joven astrónomo llamado Edwin Powell Hubble publicaba en la revista The Astrophysical Journal el artículo titulado “Extra-galactic nebulae”. En él, este fumador de pipa y pescador incansable introducía una clasificación morfológica de las galaxias que a partir de entonces fue conocida como la secuencia de Hubble. Tras estudiar 400 nebulosas extragalácticas desde el Observatorio del Monte Wilson, Hubble distinguió tres tipos principales: lenticulares, elípticas –con forma de huevo– y espirales –que presentan unos brazos alrededor del núcleo–. A ellas habría que añadir las irregulares, pero, por carecer de estructura, Hubble no las incluyó en su esquema, un diagrama que es conocido popularmente como el “diagrama-diapasón de Hubble”, debido a la característica forma que tiene. Esa forma de diapasón viene dada porque las espirales se subdividen en dos: aquellas que poseen una “barra” de estrellas, gas y polvo que cruza el bulbo central de lado a lado, y que reciben el evidente nombre de espirales barradas (la Vía Láctea es un buen ejemplo), y las que no lo tienen. Una de las características más reseñables de las galaxias espirales es que en ellas –en particular, en los brazos espirales– encontramos la mayor parte de los procesos de formación de estrellas del universo. Ahora bien, la estructura en espiral de galaxias como la Vía Láctea o la de Andrómeda es, podríamos decir, un espejismo. Su estructura real es la de un disco que rodea a un bulbo central esférico. El astrofísico del Instituto Tecnológico de California, Cameron Hummels dice que tienen el aspecto de un huevo frito: la yema es el centro esférico que está rodeado por un disco plano de gas y estrellas, que es la clara. Y la verdad es que ese disco es muy plano; por ejemplo, el de la Vía Láctea tiene 100,000 años luz de diámetro por solo 0.6 de grosor. Eso quiere decir que, proporcionalmente, nuestra galaxia es 30 veces más delgada que una hoja de papel. Entonces, ¿por qué sólo vemos los brazos espirales? A causa de las estrellas más masivas y brillantes que nacen allí y cuya luz hace que las nubes de gas interestelares brillen, resaltando los brazos, que son zonas donde la densidad de estrellas y nubes es mayor que en el resto del disco. ¿Y por qué no hay –o hay muy pocas– estrellas grandes y brillantes fuera de los brazos? Debido a una regla básica del mundo de las estrellas: cuanta más masa tienes, más brillas y antes te mueres. Por tanto, a las estrellas más brillantes que nacen dentro de un brazo espiral no les da tiempo a salir antes de morir explotando como supernovas. Eso tiene su ventaja, porque a partir del material que lanzan al espacio con la explosión –más rico en elementos pesados como el oxígeno o el hierro sintetizados en su interior– se formará una nueva generación de estrellas. Por el contrario, aquellas estrellas más pequeñas y menos masivas –como es el caso de nuestro Sol– vivirán lo suficiente para salir del brazo, pero su tenue luz no basta para iluminar su entorno. Una “simple” perturbación gravitatoria ¿Cómo le aparecieron esos brazos a la Vía Láctea? Resulta evidente que no nació con ellos, sino que se formaron millones de años después. En nuestro caso fue gracias a que nuestra galaxia es una glotona y capturó una más pequeña que pasó por su lado. ¿Y cómo deriva esta voracidad en una estructura estable como esa? Quizá la mejor forma de entenderlo es realizando el experimento propuesto por el astrónomo Neil F. Comins: llenemos un balde grande con agua (la Vía Láctea) y dejamos caer una piedrecita en el centro (la pequeña galaxia devorada). Vemos que se forman unas olas, unas perturbaciones en la superficie en forma de anillos concéntricos alrededor del punto de caída de la piedra. Ahora colocamos el balde sobre un torno para modelar arcilla y lo hacemos girar: al dejar caer la piedrecita no aparecerán círculos concéntricos sino ondulaciones espirales. Este es, en esencia, el mecanismo de formación de los brazos: una perturbación gravitatoria en el disco de la galaxia. ¿Y qué son los brazos espirales? Ondas acústicas provocadas por la perturbación que recorren el disco galáctico. Una de las consecuencias de esta perturbación es que por donde pasan hacen que la densidad del entorno sea un poco mayor que la del resto del disco, exactamente igual a lo que sucede cuando las ondas de sonido generadas por nuestras cuerdas vocales (la piedrecita que provoca la perturbación) cruzan el aire. Ahora bien, estas “ondas de densidad” viajan a la mitad de la velocidad con la que se mueven las estrellas y las nubes interestelares alrededor del centro de la galaxia, y lo que se produce es exactamente lo mismo que sucede con un choque en una autopista: los coches se van moviendo manteniendo cierta distancia prudencial, pero a medida que se acercan al atasco su velocidad empieza a reducirse y va aumentando la densidad de vehículos. En el caso de las galaxias espirales sucede lo mismo: cuando la onda de densidad cruza una región del disco, el gas presente se comprime por la presión de la onda y las estrellas viajan más despacio. Y lo más importante, esta compresión provoca que las nubes interestelares colapsen y se formen nuevas estrellas. Pero seguimos sin resolver una cuestión: en el universo observable, aquel que es accesible a nuestros telescopios, hay del orden de 200,000 millones de galaxias con un proceso de formación más o menos similar, a partir de una nube de gas y polvo primigenia. Entonces, ¿por qué unas acaban siendo elípticas y otras espirales? ¿O es posible que la secuencia de Hubble sea, en realidad, una gráfica de la evolución galáctica? Que Hubble llamara a las galaxias elípticas y lenticulares de “tipo temprano” y a las espirales “tardías” hizo que muchos pensaran así: las elípticas se convierten con el paso del tiempo en espirales. Sin embargo no es así, y el propio Hubble lo dejó claro en un artículo que publicó en 1927: “La nomenclatura se refiere a la posición en la secuencia y las connotaciones temporales se hacen por cuenta y riesgo de cada uno. Toda la clasificación es puramente empírica y sin perjuicio de las teorías de evolución galáctica”. De lo que no hay duda es que cada galaxia, como cada ser humano, tiene su propia historia, y esa historia queda reflejada en la apariencia que tiene. En este caso, que adquiera una forma u otra depende de tres factores: la velocidad de rotación, el tiempo y la gravedad. Para el astrofísico de la Universidad de California en Santa Cruz Raja Guhathakurta, experto en evolución galáctica, la velocidad de rotación desempeña un papel crucial en el futuro aspecto de la galaxia, pues cuanto más masiva y más rápidamente rote la nube primigenia, más probable es que termine convirtiéndose en una galaxia espiral. ¿Y qué hay de la otra parte de la galaxia espiral, el bulbo galáctico? En él se encuentran estrellas muy antiguas que giran alrededor del centro. Pero hay una diferencia respecto a las del disco: mientras estas se mueven de forma ordenada en un plano horizontal, las que componen el bulto parecen “abejas pululando erráticamente alrededor de su colmena”, comenta Guhathakurta. Por desgracia, aún no tenemos claro cómo se forma esa parte central: mientras que algunos astrónomos creen que se desarrolla antes que el disco, otros piensan lo contrario. Una pista a seguir Ahora, imaginemos una galaxia que toda ella sea el bulbo. Sin disco, la veríamos como una esfera gigante o una enorme pelota de rugby: estamos ante una galaxia elíptica. Pues bien, se supone que uno de los procesos más comunes que crean galaxias elípticas es la fusión de dos galaxias espirales. Para Robert Bassett, un astrofísico de la Universidad Tecnológica de Swinburne, Australia, una prueba de ello es exactamente el movimiento aleatorio que tienen las estrellas: al producirse la fusión, las estrellas comienzan a tirar unas de otras, interrumpiendo la parsimoniosa rotación que llevaban antes de la fusión. No hace falta aclarar que no todas las fusiones dan como resultado una galaxia elíptica. La Vía Láctea es un buen ejemplo de ello, pues mantiene su forma a pesar de que a lo largo de su vida ha ido aumentando su masa devorando galaxias enanas que se encontraban cerca de ella. Por desgracia, es mucho lo que desconocemos: “la formación y evolución de galaxias es una de las mayores preguntas abiertas en el campo de la astronomía y la astrofísica”, sentencia Bassett. Aunque es probable que recientemente hayamos dado un paso de gigante a la hora de entender el proceso que lleva a una galaxia a adoptar una forma concreta: un equipo de astrónomos del Centro Internacional para la Investigación de Radioastronomía (ICRAR) con base en Perth (Australia) ha publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society un artículo que parece apuntar el camino a seguir. Todo partió de un hecho observacional bien conocido: las galaxias espirales tienden a encontrarse solas en el espacio, mientras que las elípticas y lenticulares prefieren quedarse en cúmulos y cerca de otras galaxias. ¿Por qué? Para este trabajo los astrofísicos han utilizado simulaciones realizadas mediante el software EAGLE. Acrónimo en inglés de Evolución y Ensamblaje de Galaxias y sus Entornos, es un proyecto que crea potentes simulaciones por computadora con el objetivo de comprender cómo se forman y evolucionan las galaxias. Para ello modela la formación de estructuras en un volumen cosmológico de más de 300 millones de años luz de lado; unos cálculos que requieren muchos meses de cómputo con las supercomputadoras más potentes del planeta. Esto permite simular lo que sucede en una zona que contenga 10,000 galaxias del tamaño de la Vía Láctea, por ejemplo. De esta manera es posible comparar los resultados con las observaciones de regiones reales del universo, como puede ser el Campo Profundo del Hubble, una imagen de una pequeña región del cielo situada en la Osa Mayor y construida a partir de una serie de 342 fotografías realizadas con el telescopio espacial Hubble y que contiene alrededor de 3,000 galaxias. Una vez terminada la simulación, los astrofísicos utilizaron un potente algoritmo de inteligencia artificial para clasificar las galaxias por su aspecto. El programa era capaz de catalogar 20,000 galaxias por minuto, lo que hizo que un trabajo de varias semanas se ejecutara en apenas una hora. Analizados los datos, el resultado es inapelable: el entorno galáctico condiciona el aspecto que tendrá una galaxia. Así, y según uno de los investigadores, Joel Pfeffer, “hemos descubierto que los brazos espirales son muy frágiles y, a medida que aumenta la densidad de galaxias en los cúmulos, las espirales comienzan a perder su gas; es decir, ‘dejan caer’ sus brazos y acaban teniendo una apariencia lenticular”.