^Fuente

Un gran saludo a todos, una de las cualidades de toda la materia, es la capacidad que tiene de organizarse para formar estructuras complejas, y aunque parezca que esto contradice la segunda ley de la termodinámica, en realidad no es más que una expresión de ella misma. Las cuatro fuerzas fundamentales, tienen la capacidad de construir desde el mundo cuántico, hasta la escala cósmica, estructuras que van escalando en niveles de complejidad, las galaxias son una de estas estructuras, y las últimas con una caracterización claramente definida y que podemos identificar. Más allá de ellas, las estructuras que conforman el universo se vuelven más difusas y difíciles de identificar, por las magnitudes que las caracterizan.

¿Qué son las galaxias?

Se puede decir que las galaxias, son una agrupación de estrellas, remanentes estelares, planetas, satélites, otros cuerpos menores, gas, polvo y materia oscura, que se encuentran ligados gravitacionalmente para formar una estructura identificable.

Los principales y más notables componentes de las galaxias son las estrellas, su número puede variar de las 10⁷ en las galaxias enanas, como la Pequeña Nube de Magallanes, hasta las 10¹⁴ en las gigantes.

En un principio las galaxias fueron consideradas nubes de gas, que formaban parte de nuestro vecindario, por tal motivo inicialmente se les denominó nebulosas, así por ejemplo Charles Messier en su Catalogue des Nébuleuses et des amas d'Étoiles, que l'on découvre parmi les Étoiles fixes sur l'horizon de Paris (Catálogo de Nebulosas y Cúmulos de Estrellas, que se observan entre las estrellas fijas sobre el horizonte de París), de 1774, clasificó, a la Galaxia de Andrómeda como M31 o Nebulosa de Andrómeda.

^{Galaxia de Andrómeda M31 Fuente}

El primero en proponer la idea de que las, para entonces, llamadas nebulosas espirales, eran en realidad agrupaciones de estrellas que se encontraban a más de 150.000 Parsec¹ de distancia, fue Heber D. Curtis, en 1917, quien llegó a esta conclusión al estudiar el registro fotográfico de novas observadas en diferentes nebulosas espirales y notar que eran 10 veces menos brillantes que las observadas en la vía láctea. Esta observación lo llevó a postular la hipótesis de universos islas, de los cuales la Vía Láctea sería uno.

Sería Edwing Hubble, usando el telescopio de Mount Wilson, quien en 1924, logró distinguir estrellas en la, para entonces llamada Nebulosa de Andrómeda, e identificar un tipo particular de ellas, las VV Cefeidas, el estudio del corrimiento al rojo de su espectro le permitió determinar que éstas se encontraban a entre 800 y 1000 millones de años luz, ocho veces más distante que las más lejanas estrellas conocidas de la vía láctea.

¿Cómo se formaron las galaxias?

Teóricamente el origen de las galaxias, se remonta al universo primitivo, durante el periodo de inflación, por alguna razón aún desconocida, fluctuaciones cuánticas causaron que la materia no se expandiera uniformemente en todos los lugares, provocando lo que queda reflejado en el fondo cósmico de microondas como anisotropías, las zonas de mayor concentración de materia se distribuyeron en filamentos o cuerdas cósmicas, formadas producto de los cambios de fase que sufría el universo, esas acumulaciones de materia dieron origen a gigantescas nubes de gas de las que se originaron agrupaciones de estrellas que luego darían lugar a las galaxias.

^{Fondo cósmico de microondas Fuente}

Lo anterior explicaría porque las galaxias estarían distribuidas en forma de agrupaciones que se encuentran organizadas en forma de redes rodeadas de espacio vacío, y no están uniformemente dispersas en todo el universo.

Sin embargo, observaciones recientes indican que las galaxias pudieron originarse unos 600 millones de años después del Big Bang, lo que no daría tiempo suficiente para que las pequeñas anisotropías observadas en el fondo cósmico de microondas dieran lugar a estructuras tan grandes; lo cual parece cuestionar la teoría aceptada sobre su formación.

Por otro lado, la teoría tampoco es suficiente para explicar varias características observadas en nuestra propia galaxia que podrían se comunes a otras, como: por qué el Halo Galáctico no gira o lo hace muy lentamente y es tan disperso, mientras que el Disco Galáctico gira y es tan denso. también es inexplicable que las estrellas que forman en halo, con menor densidad sean más viejas y de baja metalicidad que las que forman el disco, así como tampoco explica porque aun cuando en general los Cúmulos Globulares que se suponen formados por estrellas nacidas al mismo tiempo y están formados por estrellas muy viejas, en algunos casos casi tanto como el universo, en algunos otros parecen estar formados por estrellas más jóvenes e incluso por estrellas nacidas en diferentes momentos.

¿Cómo se clasifican las galaxias?

El instrumento usado para clasificar las galaxias es la Secuencia de Hubble, esta es una clasificación propuesta por Edwing Hubble en 1936, que se basa en la forma de las galaxias, básicamente se pueden identificar cuatro tipos de galaxias, las espirales, que a la vez se dividen en espirales simples y barradas, las elípticas, las lenticulares y las irregulares.

^{Secuencia de Hubble Fuente}

Algunos astrónomos afirman que la secuencia de Hubble debería leerse al revés, lo cual se explicará más adelante.

Galaxias Espirales: las galaxias espirales tienen la forma de un disco más o menos plano con una región central más abultada formada por estrellas más viejas, que recibe el nombre de bulbo, de la cual salen los brazos espirales que son los que le dan su nombre.

^{Galaxia espiral M81 Fuente}

Los brazos espirales contendrían la mayor parte del gas y polvo interestelar por lo que tendrían la mayor tasa de formación de estrellas, mientras que el bulbo tendría escasa materia interestelar.

Pueden encontrarse dos tipos de galaxias espirales las regulares o simples que son denotadas por la letra S en la clasificación y las Espirales Barradas, las cuales tiene una banda de estrellas que se extiende a ambos lados del bulbo y de la que surgen los brazos, éstas son denotadas por las letras SB en la clasificación.

Ambos tipos de espirales son subdivididas según lo ajustado de sus brazos espirales, para ello se agrega una letra minúscula de la ‘a’ a la ‘c’ que denotan de los más ajustados a los más sueltos, respectivamente.

Adicionalmente se ha propuesto agregar un tipo adicional de galaxia espiral que sería un paso intermedio entre las espirales simples y las barradas denominadas Semi Barradas, y se denotarían por las letras SAB

Galaxias Lenticulares: están formadas por un disco definido que rodea una nube central grande de forma elíptica, son estados intermedios entre las espirales y las elípticas.

La razón por la que se afirma que la secuencia de Hubble debería leerse al revés es, porque las galaxias lenticulares serían el resultado de la colisión de dos galaxias bien sean espirales o una espiral y una de otro tipo.

^{Galaxia lenticular NGC4886 Fuente}

Al igual que las espirales, las galaxias lenticulares, pueden ser regulares y barradas, denotándose las primeras por las letras SO y las segundas por SOB, adicionalmente, de acuerdo a la densidad del disco y la barra central se agregan numeraciones del 1 a 3 de la menos a más densa.

Adicionalmente se han propuesto otras clasificaciones como la SOAB para aquellas que tiene una barra central rudimentaria, o la E/SO que denotarían galaxias elípticas que asemejan a lenticulares, entre otras.

Galaxias Elípticas: Las galaxias elípticas suelen estar formadas por estrellas antiguas y presentan escasa formación estelar, tienen poca materia interestelar y en consecuencia escasos cúmulos abiertos.

Se denotan con la letra S y numeran del 0 a 7 según su excentricidad, siendo las S0 esféricas y las S7 con forma de plato.

Estas galaxias serían el resultado de la estabilización de las galaxias lenticulares y el agotamiento de su materia interestelar, en consecuencia, serían también el producto de la colisión de galaxias espirales o espirales y otras.

^{Galaxia eliptica IC 2006 Fuente}

Estas galaxias suelen ser las más grandes y generalmente se encuentran en los núcleos de los grandes cúmulos de galaxias.

Galaxias Irregulares: las galaxias irregulares carecen de una forma identificable que permita clasificarlas en la secuencia de Hubble, suelen ser de pequeño tamaño y muchas de ellas son pequeñas galaxias espirales que se deforman por la presencia de vecinos de mayor tamaño.

Estas galaxias son clasificadas como Irr I que denota a las que presentan alguna estructura que podría asemejarlas a una espiral y las Irr II que no presentan ninguna forma identificable. Adicionalmente se usa la denominación dI para referirse a las galaxias enanas irregulares.

^{Galaxia irregular NGC 2337 Fuente}

Existen otros tipos de galaxias, que se diferencian de las restantes no en su forma, pues pueden ser caracterizadas dentro de la secuencia de Hubble, sino en su capacidad de emitir de forma particularmente notable radiaciones electromagnéticas en diferentes espectros; son las denominadas Galaxias Activas.

Las galaxias activas son en las que una buena parte de su emisión en el espectro electromagnético no es debida a los componentes que normalmente son fuentes de emisión, como las estrellas o nubes de gas ionizado. Muy frecuentemente estas intensas fuentes de emisión están asociadas con el agujero negro supermasivo que todas las galaxias tienen en su interior, el cual en la mayoría de las galaxias está inactivo.

Galaxias Seyfert: deben su nombre a Carl K. Seyfert, quien, en 1943, se percató de que un conjunto de galaxias, principalmente espirales, poseían un núcleo que parecía emitir una considerable cantidad de radiación electromagnética en el rango infrarrojo y visible, posteriormente con el descubrimiento de los agujeros negros supermasivos de los núcleos galácticos, se llegó a la conclusión de que estas emisiones eran debidas a la acreción de materia en éstos.

^{Galaxia NGC 1097 una galaxia Seyfert Fuente}

En estas galaxias el núcleo poseería una una considerable cantidad de materia interestelar que al ser atrapada por la gravedad del agujero negro empezaría a girar a su alrededor, formando un disco de gas ionizado que sería la fuente de las emisiones de luz e infrarrojos.

Radiogalaxias: son galaxias que presentan una intensa emisión en la frecuencia de las ondas de radio, esta emisión es debida a Radiación Sincrotrón². En este tipo de galaxias, existen grandes chorros de materia en forma de plasma que son expulsados a velocidades relativistas, los cuales interactúan con el medio interestelar cargado electromagnéticamente generando por efecto sincrotrón la emisión de ondas de radio muy intensas.

^{Chorro de partículas de la galaxia elíptica M87Fuente}

Este tipo de galaxias por lo general se trata de galaxias elípticas, en las cuales el agujero negro super masivo de su núcleo está activo y genera los chorros de plasma al expulsar parte de la materia que esta siento acelerada en el disco de acreción. Se piensa que este fenómeno no se presenta en galaxias espirales, pues la abundancia de materia interestelar a baja temperatura impide que se proyecten estos chorros de plasma.

Cuásares: a diferencia de las galaxias Seyfer que emiten radiación infrarroja y luz visible, y las radiogalaxias que emiten radio ondas, los cuásares tiene la peculiaridad de emitir gran cantidad de radiación electromagnética tanto en el espectro visible como en el infrarrojo, ultravioleta, rayos X y radio ondas, la intensidad de su brillo es tal, que llevó a los astrónomos a pensar que se trataban de estrellas que estaban en nuestra galaxia, y denominarlos objetos cuasi estelar por su semejanza con una estrella y su intensidad en emisiones de radio ondas que los diferenciaban de las estrellas comunes (Quasar, es el acrónimo de fuente de radio cuasi estelar), sin embargo el corrimiento al rojo de su espectro demostró que se trataba de los objetos más distantes observados hasta la fecha.

^{Representación artística del cuásar ULAS J1120+0641 Fuente}

Los cuásares serían las fuentes de emisión de luz visible más intensas que se han detectado, la mayoría son tan distantes que sólo pueden ser observados con grandes telescopios. El más brillante observable es 3C 273 situado a 2.200 años luz en la constelación de virgo, su magnitud aparente es de 12.8, pero su magnitud absoluta a 10 parsec (33 años luz) es de -26.7, lo que quiere decir que, si estuviera a esa distancia de nosotros, su brillo sobrepasaría al del Sol, este es el único cuásar que puede ser visto con un telescopio aficionado.

La intensa radiación electromagnética que emiten estos objetos se supone proviene de materia que orbita a gran velocidad en el disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo de una galaxia, sin embargo no se conoce en realidad que procesos hacen posible le emisión de tal cantidad de energía, incluso se desconoce a ciencia cierta que tipo de galaxia alberga este tipo de objetos, algunas observaciones de los más cercanos permite suponer que se trata de galaxias elípticas, pero esto aun no está del todo confirmado.

Dentro de este contexto, existe otro tipo de objetos especialmente luminosos denominados Blazars. Fundamentalmente un Blazar es un Cuásar, cuyo chorro de partículas apunta directamente en nuestra dirección, razón por la cual son particularmente brillantes.

¿Qué relación guarda la materia oscura con las galaxias?

Ya con anterioridad he hablado en este blog sobre la materia oscura, aunque nunca con la rigurosidad del caso, en el astrofísica y astronomía se usa este término para referirse a un teórico tipo de materia que correspondería aproximadamente al 80% del total de la materia que conforma en universo. Recibe el nombre de materia oscura, pues no emite ningún tipo de radiación electromagnética, ni interactúa con ella, por lo que resulta imperceptible por los medios actualmente disponibles.

Se desconoce por completo su naturaleza y su existencia se ha deducido y confirmado por diferentes medios teóricos y evidencias indirectas. Una de estas evidencias, es el hecho de que, en las galaxias, sus componentes se puedan mantener ligados gracias a la gravedad y no hayan terminado por dispersarse.

El concepto de materia oscura se debe al astrofísico suizo del Caltech Fritz Zwicky, quien en 1933, estimó la masa del cúmulo de galaxias de Coma, basado en el movimiento de las galaxias de sus bordes, esta estimación resulto ser 400 veces más grande que la que se podía calcular por la evidencia observacional del número de galaxias y su brillo, entonces propuso que debía haber algún tipo de “materia no visible” que fuera el origen de la masa adicional.

^{Cúmulo de Coma Fuente}

Posteriormente entre los años 1960 y 1970, Vera Rubin, astrónoma del Instituto Carnegie de Washington, determinó mediante espectrografía, que en galaxias espirales la velocidad angular de giro de muchas estrellas en diferentes órbitas era casi igual, lo que implicaría que las galaxias como un todo tendrían una velocidad de giro más o menos uniforme, esto incluía al bulbo mucho más denso que los brazos espirales, de esto puedo deducir que o bien la gravedad newtoniana no se aplica a escala galáctica o más del 50% de la masa de la galaxia está en el halo galáctico y no es visible. Este resultado cuestionado en su momento fue posteriormente confirmado por observaciones de otros astrónomos, lo que llevo a la confirmación de que la masa de las galaxias estaría compuesta en su mayoría por materia oscura.

En la actualidad el origen de la materia oscura es aun desconocido, se especula sobre la posibilidad de que se trate de algún tipo de Neutrino³ pesado u otras partículas hipotéticas como los Axiones⁴ o WIMPs⁵, también se ha propuesto la posibilidad de que se trate de objetos oscuros como planetas o estrellas enanas, sin embargo estos últimos se han asociado a otro tipo de materia denominada Materia Bariónica⁶ oscura, la cual estimaciones señalan que podría tratarse de un 50% del total de la materia bariónica.

Recientemente los físicos teóricos Juan García-Bellido y Sébastien Clessese, entre otros, han planteado la hipótesis de que la materia oscura podría estar formada por cúmulos de agujeros negros primordiales, que se originarían durante el proceso de inflación cósmica. Las reciente observaciones de LIGO, de ondas gravitacionales provenientes de colisiones de agujeros negros de masa que llegan a las 50 masas solares, asoman la posibilidad de hallar evidencia de la existencia de los hipotéticos agujeros negros de masa intermedia, que excederían las 100 masas solares y que no podrían ser atribuidos al colapso estelar, pues no podrían existir estrellas tan masivas como para poseer núcleos que excedan las 100 masas solares.

Se ha especulado que estos agujeros negros podrían ser más frecuentes de lo que se piensa y existirían agrupados en cúmulos en el halo galáctico, lo que explicaría la masa faltante que es asociada con la materia oscura.

¿Qué son los cúmulos de galaxias?

Las galaxias se agrupan en cúmulos y éstos en super cúmulos, en los cúmulos de galaxias, éstas tienden a aproximarse entre sí como efecto de la gravedad y en conjunto hacia el centro de gravedad del cúmulo. Mientras que en los super cúmulos, los cúmulos tienden a desplazarse en conjunto en dirección del centro de gravedad del super cúmulo.

Los cúmulos de galaxias estarían ubicados en una red, una suerte de telaraña, formada por filamentos de materia bariónica de baja densidad fundamentalmente gas y polvo, en cuyos nodos se encontrarían los cúmulos de galaxias, esta red sería el producto de las irregularidades en la distribución de la materia durante el proceso de inflación cósmica, éstas a la vez causadas por fluctuaciones cuánticas. La estructura de filamentos se produciría durante los cambios de fase que se sucedían en el universo primitivo, los cuales darían origen a cuerdas cósmicas las cuales darían esta peculiar forma de red a la distribución de la materia bariónica.

^{Cúmulo de galaxias LCDCS-0829, se puede notar el efecto de lente gravitacional Fuente}

Los cúmulos de galaxias pueden estar formados por decenas de ellas, en cuyo caso son denominados grupos, hasta miles, mientras que los supercúmulos pueden contener hasta cientos de miles de cúmulos.

¿Cómo es nuestra galaxia?

La galaxia en la que se encuentra el sistema solar es la Vía Láctea, su nombre se origina en la antigua Grecia, donde su apariencia de tenue banda blanca y brumosa que cruza el cielo nocturno, era asociado a la leche derramada del seno de la diosa Hera.

La Vía Láctea es una galaxia espiran barrada, esto se puede deducir por la forma de banda plana que puede observársele en el cielo, la cual delata su forma de disco plano, se calcula que posee una masa de 10¹² masas solares, está formada por unas 200.000 a 400.000 estrellas y tiene un diámetro de entre 100.000 y 200.000 años luz.

^{Vía Láctea Fuente}

En nuestra galaxia se distinguen tres estructuras, las cuales son comunes a todas las galaxias espirales. El núcleo o bulbo, el disco y el halo.

El bulbo estaría formado principalmente por las estrellas viejas y tendría menor cantidad de materia interestelar por lo que casi no se darían procesos de formación estelar, en la Vía Láctea no existiría un bulbo puntual, sino un pseudo bulbo, que tendría una forma alargada de barra. En el centro del bulbo se encontraría un agujero negro super masivo que ha sido denominado Sagitario A, el cual tendría una masa de 2,6 millones de masas solares. Sagitario A sería un agujero negro inactivo, debido a que no tendría materia interestelar en sus proximidades para ser absorbida.

El disco corresponde a los brazos que surgen de la barra central o pseudo bulbo, estaría formado por 4 brazos principales; el de Perseo, de Orión, donde se encuentra el sistema solar, del Escudo-Centauro y de Sagitario. También se han identificados otros brazos de menor densidad como el de Norma y el exterior.

^{Mapa de la Vía Láctea Fuente}

El disco es la región de la galaxia en la que se da la mayor tasa de formación estelar, debido a la abundancia de materia interestelar, está formado principalmente por estrellas jóvenes.

El halo es una región alrededor del disco galáctico con escasa población estelar, formada principalmente por cúmulos globulares, el halo tendría una predominancia de materia oscura, y se originaria aun antes que el disco galáctico, cuando la galaxia aun era una nube de gas que estaba colapsando a una forma plana.

En el halo existiría escasa materia interestelar por lo que no habría formación estelar y sus estrellas serían las más antiguas. El movimiento del halo sería transversal al giro del disco galáctico, por lo que algunos de sus componentes en algún momento se cruzan con el disco o el bulbo, una estrella que forma parte del halo, puede ser identificada por movimiento transversal al plano galáctico y su escasa metalicidad.

¿Cómo es nuestro vecindario galáctico?

La Vía Láctea forma parte del llamado grupo local, una agrupación o cúmulo de galaxias, que está constituida por unas cuarenta, de las cuales las principales son Andrómeda, La Vía Láctea y La Galaxia del Triángulo, las restantes son galaxias enanas algunas de las cuales son satélites de una de las principales.

El grupo local forma parte del supercúmulo de virgo una agrupación de unos 100 cúmulos de galaxias, que está dominado por el Cúmulo de Virgo, y que tiene como centro de gravedad al llamado Gran Atractor. En cuya dirección se desplazan los integrantes del supercúmulo.

^{Super Cúmulo de Virgo Fuente}

Yendo un poco más allá, el Super Cúmulo de Virgo junto a otros tres supercúmulos, forma parte de un filamento que es denominado Hipercúmulo de Liniakea, el cual está formado por más de 100 mil galaxias y tiene un diámetro de 520 millones de años luz.

La Vía Láctea, junto al grupo local, se mueven en dirección al Cúmulo de Virgo, en su trayectoria la Vía Láctea y Andrómeda colisionarán, dando lugar a una galaxia mayor, que ha sido denominada Lactómeda y que muy posiblemente se tratará de una galaxia elíptica, en el proceso, parte de la materia que forman el disco de ambas galaxias será expulsada al espacio extra galáctico, esta colisión iniciará en unos 3870 millones de años y concluirá 2000 millones de años después, cuando ambas galaxias se hayan fusionado completamente. En este proceso los agujeros negros supermasivos de ambas galaxias se fusionarán también, dando lugar a uno aun mayor y posiblemente podría activarse dando lugar a la emisión de chorros de partículas cargadas que convertirían a Lactómeda en una radiogalaxia.

^{Representación artística del cielo nocturno durante la fusión de Andrómeda y la Vía Láctea Fuente}

Con esta breve descripción de nuestro vecindario galáctico y del futuro del mismo concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado y estoy atento a sus observaciones y sugerencias. Gracias por su atención.

Notas

1. Parsec: es una unidad de medida de longitud astronómica que corresponde a un segundo de arco de paralaje entre el Sol y la Tierra, esto equivale a 3,2616 años luz.
2. Radiación Sincrotrón: es un tipo de radiación electromagnética que se produce cuando una partícula cargada eléctricamente se mueve en una trayectoria curva a velocidades relativistas en medio de un campo magnético.
3. Neutrino: es un tipo de partícula sub atómica de carga eléctrica neutra y masa muy pequeña, su nombre proviene del italiano y significa pequeño neutrón.
4. Axión: es un tipo de partícula sub atómica hipotética de carga eléctrica neutra, propuesto como parte de una solución al problema de simetría CP, en teoría los fotones de alta energía podrían convertirse temporalmente en axiones por lo que se explica que los fotones de alta energía logren atravesar grandes distancias sin ser absorbidos por el medio interestelar.
5. WIMP: son las siglas para weakly interacting massive particles (partículas masivas que interactúan débilmente) sería un tipo de partículas hipotéticas que no interactuarían a través la gravedad, ni de la fuerza nuclear fuerte, además como no interactúan ni emiten radiación electromagnética no podría ser detectadas.
6. Materia Barionica: la materia bariónica es aquella que estaría formada por los bariones que son partículas formadas por tres cuarks, como los neutrones y protones, toda la materia formada por átomos, por ejemplo, es materia bariónica.

Referencias

1. AstroMía, ¿Cómo es la Vía Láctea?, AstroMía
2. AstroMía, Radiogalaxias, AstroMía
3. Astronoo, Cuásar, Astronoo
4. Astronoo, La secuencia de Hubble, Astronoo.
5. Bellido, J. y Clesse, S. Agujeros Negros Primordiales y Materia Oscura, InvestigacionyCIencia.es
6. Casanova, V., Clasificación de las galaxias según la secuencia de Hubble, Astrofísica y Física
7. Heras, A., Las galaxias de Seyfert, radiogalaxias y blazars, Introducción a la Astronomía y Astrofísica.
8. Iafrate, G., Ramella, M. y Bologna, V., LA SECUENCIA DE HUBBLE, Virtual Observatory.
9. Wikipedia. Agrupación galáctica, Wikipedia.
10. Wikipedia. Materia oscura, Wikipedia.
11. Wikipedia. Colisión Vía Láctea-Andrómeda, Wikipedia.
12. Wikipedia. Grupo Local, Wikipedia.
13. Wikipedia. Vía Láctea, Wikipedia.
14. Wikipedia. Galaxia, Wikipedia.