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Astronomía

Fermento cósmico

Zonas más condensadas de galaxias similares a la Vía Láctea aportan gas y polvo en la formación de otras estrellas

Ronaldo de Souza y Dimitri Gadotti, astrónomos de la Universidad de São Paulo (USP), se dedicaron durante los últimos cinco años a investigar cómo y cuándo se formaron las galaxias. Hoy en día no es que hayan llegado a reunir todas las respuestas, por supuesto, pero lo cierto es que han logrado explicar mejor la formación y el desarrollo de alrededor de un tercio de los mil millones de galaxias existentes en el Universo. La observación de casi un centenar de estos aglomerados de estrellas, aliada a la perspicacia de recurrir a un antiguo teorema de la mecánica clásica, les permitió a los dos astrónomos elaborar un programa de computadora que calcula la edad y las dimensiones de estructuras peculiares de galaxias similares a la Vía Láctea, donde se encuentra el Sistema Solar. Souza y Gadotti constataron que estas estructuras de forma similar a rectángulos -o barras- pueden ser relativamente recientes o, en casos extremos, casi tan antiguas cuanto las propias galaxias conocidas como barradas. Las barras, tal como ellos constataron, alimentan la región central de estas galaxias con polvo y gas, que formarán nuevas estrellas. El modelo matemático que crearon está ayudando a reclasificar incluso a otros tipos de galaxias.

Las galaxias barradas son similares a la Vía Láctea, calificada como una galaxia espiral, porque también tienen centenares de millones de estrellas en la región central en forma de esfera -o núcleo- y otras centenas de millones dispersas en un fino disco de gas y polvo semejante a un remolino cósmico. Una característica de las galaxias barradas es que, en aquella parte luminosa en forma de rectángulo, la densidad de estrellas es mayor que en el disco, pero inferior a la del núcleo..

Una serie de estudios teóricos asignaba a las barras el rol de fermento galáctico. Estas estructuras, formadas en regiones de mayor concentración de estrellas en el disco, crecen como un pan en el horno, pero muy lentamente -en un proceso que llega a tardar miles de millones de años. A medida que las barras se vuelven más espesas que el disco, alimentan al núcleo de las galaxias con polvo y gas, materias primas para la producción de estrellas, contribuyendo así a la acumulación de materia en dicho núcleo. Pero éste era un panorama construido con base en  simulaciones hechas en computadora. Faltaban datos de observación directa para confirmar si el comportamiento del Cosmos era efectivamente ése. “Cinco años atrás, no se sabía casi nada sobre la edad, las dimensiones y la evolución de las barras”, comenta Souza, coordinador de esta línea de estudios que integra un proyecto temático sobre la evolución de galaxias, llevado adelante por Sueli Viegas, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP.

Los primeros indicios de que el modelo era correcto surgieron en 2001. En alianza con la astrónoma Sandra dos Anjos, también del IAG, Gadotti analizó imágenes de 257 galaxias espirales. Constató que realmente existe una concentración mayor de estrellas jóvenes en el núcleo de las galaxias barradas -como la NGC 4314 que se ve la derecha- que en el núcleo de aquéllas carentes de barra. Era una señal indicativa de que las barras alimentan la región central de estas galaxias, puesto queque las estrellas en general se forman en regiones lejanas; en el disco.

Un medidor de galaxias
Con la ayuda de un telescopio instalado en el hemisferio Norte y de otro en el hemisferio Sur, los astrónomos de la USP observaron las características de 14 galaxias que aparecen en el cielo cerca de la proyección de la línea del Ecuador, el llamado Ecuador Celeste. En el transcurso de diez noches de 1999, 2000 y 2002, Souza y Gadotti registraron en puntos del disco, de la barra y del núcleo de cada galaxia el promedio de las velocidades a que se desplazan las estrellas, acercándose o alejándose del observador  ubicado en Tierra -una medición conocida como dispersión de velocidades. Descubrieron que en el disco, las estrellas se mueven a velocidades que, en promedio, varían de 5 a 20 kilómetros por segundo (km/s), mientras que dichos valores son cercanos a los 100 km/s en el núcleo.

Estas medidas les permitieron a los investigadores estimar la edad de las barras. “Identificamos barras bastante jóvenes, formadas hace mil millones de años, y otras más evolucionadas, casi tan antiguas como las propias galaxias, formadas hace alrededor de 10 mil millones de años”, afirma Gadotti, quien actualmente trabaja en el laboratorio de la astrónoma griega Lia Athanassoula, en el Observatorio Astronómico de Marsella-Provenza, Francia. Sin embargo, estos datos por sí solos, separadamente, eran insuficientes como para determinar el espesor y el tiempo de formación de estas estructuras.

Para definir el espesor de las barras, los astrónomos echaron mano de un antiguo teorema de la mecánica clásica -el Teorema del Virial, planteado en 1870 por el físico alemán Rudolf Clausius-, por medio del cual asociaron la dispersión de las velocidades de las estrellas a la masa de las diferentes regiones de las galaxias. Una vez realizados los cálculos, arribaron a la siguiente conclusión: la formación de las barras dura de 1 a 2 mil millones de años, cuando éstas alcanzan su espesor máximo, correspondiente a dos o tres veces el del disco. En una galaxia barrada con la dimensión de la Vía Láctea, el espesor del disco sería de alrededor de 9,5 trillones de kilómetros y la de la barra, de 19 a 27 trillones de kilómetros -el tripulante de una nave capaz de viajar a velocidades cercanas a la de la luz tardaría entre 19 mil y 27 mil años para recorrer el espesor de la barra. También observaron que estas barras pueden desaparecer y después resurgir, en un proceso cíclico que alimenta continuamente el núcleo de la galaxia.

Nuevas formas
Otro hallazgo sorprendente: dos galaxias con una barra bastante desarrollada, pero sin el disco que la habría originado -una estructura inusitada. Una evaluación más detallada reveló que, en realidad, la región interna del disco había desaparecido, restando solo un residuo: un anillo que abarcaba la barra y el núcleo. Todavía no existe una explicación consensuada para la ausencia de disco. En un artículo publicado en Astrophysical Journal en 2003, Souza y Gadotti plantearon dos posibilidades: o estas galaxias son ejemplos extremos, donde la formación de la barra consumió casi todo el disco, o estarían envueltas en un halo levemente achatado de una forma de materia que no emitiría luz y, por lo tanto, no podría observarse mediante el uso  de telescopios -la llamada materia oscura. “Testeamos el modelo de la materia oscura y constatamos que el halo con forma elíptica puede inducir a la formación de las barras aun sin la existencia del disco”, explica Gadotti.

El programa de computadora que él, Souza y Sandra crearon también ha de facilitarles la vida a los astrónomos que se dedican a la clasificación de las galaxias según su forma. Este método, creado por el astrónomo Edwin Hubble en 1926, separa las galaxias en diez categorías, que incluyen a aquéllas con formatos esferoides, con núcleo similar a una esfera perfecta y sin disco, las elípticas y las espirales con y sin barras. Este programa, denominado Budda (sigla en inglés para Análisis de la Descomposición Núcleo/Disco), se vale de ecuaciones desarrolladas por el equipo del IAG para analizar 11 parámetros relacionados con la luminosidad y la geometría del disco y del núcleo de la galaxia -antes se observaban sólo tres parámetros. En la primera prueba se examinaron imágenes de 51 galaxias observadas en el Laboratorio Nacional de Astrofísica, en Minas Gerais. Y el Budda impresionó al identificar estructuras ocultas -tales como discos que no podían observarse, o la existencia de barras secundarias- y detectar incorrecciones en la clasificación de 15 galaxias. Se estima que entre el 10% y el 15% de las galaxias han sido clasificadas en categorías erróneas.

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