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Astrofísica

Revisión de la Vía Láctea

Los brazos de la galaxia pueden estar más cercanos y no ser tan en espiral como se pensaba

Bruno Gilli / Eso

No escasean los mitos y leyendas acerca de la Vía Láctea, el conglomerado de polvo, gas y alrededor de 400 mil millones de estrellas mantenidas relativamente próximas debido a la fuerza gravitacional en la cual se inserta el sistema solar. Los antiguos egipcios creían que la galaxia era una bifurcación del Nilo, un río en el firmamento. Para muchas culturas, el agua era su elemento central y las estrellas se encontraban fijas en el cielo. Algunos indígenas brasileños la denominaban Tapirapé, que significa camino de los tapires. Observada a simple vista desde tiempos inmemoriales en los días de cielo limpio, el aspecto aparentemente lechoso de la formación estelar sirvió de inspiración para su nombre. El propio término galaxia “en griego, gala significa ‘leche'” deriva de esa analogía. Las ideas míticas o fantasiosas acerca de la Vía Láctea, tales como las citadas anteriormente, fueron puestas a prueba y desestimadas desde que Galileo Galilei apuntó su telescopio hacia la bóveda celeste hace cuatro siglos. Actualmente, la cantidad de información científica acumulada sobre la galaxia es enorme; sin embargo, según algunos astrofísicos, es engañosa la sensación de que la conocemos en detalle.

Dos trabajos recientes e independientes llevados a cabo por investigadores brasileños cuestionaron la visión más difundida al respecto de unos de los rasgos más marcados de nuestra galaxia, los brazos de la Vía Láctea. A fines de noviembre, Augusto Damineli y Jacques Lépine, ambos astrofísicos de la Universidad de São Paulo (USP), pasaron cuatro días debatiendo las características de la estructura en espiral de la Vía Láctea junto con otros 60 científicos de Europa, Estados Unidos, Japón y América Latina en un hotel a orillas del mar en el balneario chileno de Bahía Inglesa, en la región desértica de Atacama. La idea del workshop era confrontar las observaciones realizadas por diversos grupos de investigación con las teorías vigentes en el área. Nuevos datos divulgados por Damineli sugieren que algunas regiones estelares asociadas con los brazos de la galaxia se encuentran hasta un 50% más cerca de la Tierra de lo que las mediciones anteriores apuntaban. Tal vez la extensión de la propia Vía Láctea sea menor de lo que se cree. Ahora el estudio de Lépine indica que algunos segmentos de los brazos pueden ser rectos en lugar de espiralados y que puede existir un pequeño brazo periférico que exhibe una inusitada curvatura apuntando hacia fuera de la galaxia. “Lo que determina la forma de los brazos es la órbita de las estrellas alrededor del centro galáctico”, dice Lépine, autor del libro de divulgación  A Vía Láctea, nossa ilha no universo (Edusp). “La idea de que los brazos de nuestra galaxia sean espirales casi perfectas es falsa”. ¿Es que la Vía Láctea sería entonces algo cuadrada?

Técnicamente, la Vía Láctea es descrita como una galaxia espiral con barras. Además de hallarse rodeada por un halo con baja densidad de materia, está formada por un gran disco achatado, del cual los brazos forman parte, y por una protuberancia esférica con formato similar al de una pelota de fútbol americano en su región central. Presenta además una concentración de estrellas que atraviesa esa protuberancia y origina una estructura de contornos similares a una barra. En este tipo de galaxia, los brazos “nacen” generalmente en los extremos de la barra. Las estrellas más antiguas, con colores del amarillo al rojizo, se concentran en la región central. Las de mayor masa y más jóvenes, con tonos azulados, delinean los brazos. En el corazón de la galaxia, en el centro de ese núcleo, existe la evidencia de que se oculta un agujero negro, un tipo de cuerpo celeste misterioso que succiona toda la materia existente a su alrededor y del cual no escapa ni siquiera la luz. No todas las partes de la galaxia se formaron de una sola vez. Las estrellas más antiguas de la Vía Láctea tienen más de 13 mil millones de años, pero los brazos tendrían algo más de la mitad de esa edad.

Aunque en las últimas décadas se han establecido importantes puntos de consenso, no faltan las divergencias de interpretación y lagunas de datos sobre algunas características centrales de la Vía Láctea. “Nuestra visión esquemática de la galaxia no ha cambiado mucho en los últimos 20 años, aunque sí ha cambiado la comprensión de sus detalles y mecanismos”, explica el astrofísico portugués André Moitinho, de la Universidad de Lisboa, otro de los participantes en el encuentro realizado en el desierto chileno. La masa total y el tamaño de la Vía Láctea, parámetros que parecían razonablemente bien determinados desde hace tiempo, aún suscitan periódicos cuestionamientos. No se conoce con certeza la distancia del Sol y de las estrellas en relación con el centro de la galaxia, ni tampoco la velocidad de rotación de la materia en cada punto del radio galáctico.

Entre todas esas dudas, el tema que quizá genera mayores debates y revisiones es la propia estructura espiralada de la Vía Láctea. Finalmente, ¿la galaxia cuenta con cuatro o con dos brazos principales” ¿Cómo serían y dónde exactamente estarían? “Creí que nos encaminábamos hacia un consenso al respecto de esa cuestión luego de tantas décadas de estudios”, expresa Damineli. “Pero los resultados de los diferentes métodos de observación utilizados para analizar los brazos no siempre resultan convergentes”.

La técnica más segura para determinar la distancia de un objeto celeste con la Tierra se basa en el cálculo del ángulo de paralaje trigonométrico, un procedimiento utilizado para esta finalidad desde hace casi dos siglos. El astrónomo mide la variación de la posición aparente de una estrella sobre un fondo fijo desde dos puntos distintos de observación, en general, puntos opuestos de la órbita de la Tierra. La paralaje es ese supuesto movimiento de la estrella y está dada por un ángulo, la variable clave utilizada en una triangulación que permite descubrir cuán lejos está el objeto de nuestro planeta. El método, sin embargo, posee una limitación: no sirve para determinar la localización de objetos muy lejanos o con brillo excesivamente leve. En el caso de la Vía Láctea, las estrellas que se hallan  del lado completamente opuesto al del Sol, en el otro extremo de la galaxia, no pueden generalmente estudiarse  mediante el cálculo de la paralaje.

G_498887main_Fermi_bubble_art_no_labelsGODDARD SPACE FLIGHT CENTER/NASADistancias menores
En su trabajo, Damineli y sus colaboradores, entre quienes se destacó el entonces alumno de doctorado Alessandro Moisés, utilizaron una variante moderna de este método. Analizaron una enorme serie de espectros e imágenes obtenidas a lo largo de 14 años, con longitudes de onda del infrarrojo cercano, mediante el uso de tres telescopios instalados en Chile (Blanco, Gemini y SOAR) y también  utilizaron registros en el infrarrojo medio provistos por el satélite Spitzer, de la Nasa, la agencia espacial norteamericana. Con todos esos datos, los investigadores calcularon la distancia de 35 regiones HII de la galaxia, la mayoría de ellas de gigantescas dimensiones. Formadas por nubes de gas (hidrógeno) ionizado, este tipo de regiones se caracteriza por la intensa formación de estrellas de gran masa. “Las regiones HII son consideradas buenas indicadoras de dónde pasarían los brazos de la Vía Láctea”, dice Damineli. El estudio realizado por el grupo de la USP fue publicado online el día 25 de noviembre pasado en la edición electrónica de la revista científica británica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y reveló que buena parte de esos nidos estelares se encuentra hasta un 50% más cerca de la Tierra que lo que sugieren los trabajos realizados mediante el empleo del denominado método cinemático. Por intermedio de esa segunda técnica, también clásica, los astrofísicos infieren la distancia del gas que envuelve a las estrellas a partir del cálculo de su velocidad de aproximación o de alejamiento al respecto del sistema solar.

Según el artículo de Damineli, 14 de las 35 HII analizadas se encuentran más cerca que lo sugerido por estudios realizados mediante el método cinemático, mientras que dos se encuentran más distantes. Para las demás regiones HII, los resultados no fueron concluyentes (diez casos) o convergen con estudios anteriores (nueve casos). Si los datos del estudio resultaran ciertos, el diámetro de la Vía Láctea — no confundir el tamaño con la masa de la galaxia — puede ser menor que los difundidos 100 mil años luz. “El conocimiento de las distancias entre objetos resulta fundamental para lograr una mejor comprensión de nuestra galaxia y de todo el Universo”, afirma Damineli. Un año luz equivale a la distancia recorrida por la luz en un año, esto es, alrededor de 9,5 billones de kilómetros.

El estudio de Lépine utilizó el método cinemático para construir un mapa de cómo serían los brazos de la galaxia. Además de utilizar una técnica distinta, el astrofísico optó por analizar un tipo diferente de indicador de la estructura en espiral de la Vía Láctea. Un grupo de radioastrónomos chilenos obtuvo la velocidad de 870 fuentes de emisión del gas monosulfuro de carbono, que habían sido detectadas con base en las mediciones en el infrarrojo realizadas por el satélite espacial Iras. Con los datos de esas velocidades, Lépine calculó la distancia de los objetos. El monosulfuro de carbono es una molécula asociada con la presencia de regiones HII de pequeño porte, es decir, las zonas en donde existe gran densidad de estrellas jóvenes. “Ningún otro estudio sobre las clásicas regiones HII empleó mayor cantidad de objetos para dibujar los brazos de la galaxia que nosotros”, afirma Lépise, cuyo artículo, escrito en colaboración con colegas brasileños y un ruso, ya fue aceptado para su publicación también en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Los contornos que emergen del mapeo de Lépine desafían la visión más tradicional de la Vía Láctea. De acuerdo con el estudio, la galaxia sólo puede tener dos grandes brazos en su porción central, aunque, sin duda, cuatro en la vecindad solar. El detalle más sorprendente indica que, siempre según el trabajo, los brazos no conforman espirales logarítmicas perfectas. Algunos de sus segmentos exhibirían ángulos rectos. De esta forma, la Vía Láctea podría poseer brazos que generan una figura romboidal. “Nosotros vemos con cierta frecuencia ese tipo de estructura en otras galaxias”, comenta Lépine, uno de los principales investigadores de un proyecto temático de la FAPESP sobre la formación y evolución de las estructuras del Universo. Otro hallazgo producto del estudio es la aparente presencia en la periferia de la galaxia de un desconocido y pequeño brazo denominado por el brasileño como Sagitario-Cefeus, por hallarse situado en las cercanías de esas constelaciones. Con una curvatura apuntando hacia el exterior de la Vía Láctea, este brazo se encontraría a una distancia aproximada de 33 mil años luz del centro de la galaxia.

A dragon-shaped cloud of dust seems to fly out from a bright explosion in this infrared light image from the Spitzer Space Telescope.NASA/JPL-CALTECH/M.POVICHVisión del plano de la galaxia
El estudio de la Vía Láctea impone una dificultad única que, por definición, ninguna otra galaxia les planteará jamás a los astrofísicos. Nos encontramos dentro del objeto por observar y, para tornar las cosas todavía más complicadas, en un ángulo nada favorable para la visualización. El Sol se encuentra tan sólo cinco grados por encima del plano de toda la materia que compone la galaxia. “Como no podemos viajar hacia una galaxia cercana, darnos media vuelta y sacar una foto de la Vía Láctea, necesitamos utilizar otros métodos para la construcción de una ‘imagen’ de ella”, afirma Mark Reid, del Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, de Cambridge, Estados Unidos, uno de los mayores estudiosos de la galaxia. “Siempre que medimos la distancia de una estrella joven podemos colocar un punto en el mapa de la Vía Láctea”. Los astrofísicos consideran que el aspecto de los brazos está dado esencialmente por la presencia de grandes concentraciones de gas y estrellas jóvenes en ciertos sectores de la galaxia.

Todavía existen otros obstáculos que las técnicas de observación intentan sortear para entender mejor la naturaleza de la Vía Láctea. En nuestra galaxia, como en cualquier otra, sólo una parte de su materia total puede visualizarse en el espectro electromagnético de luz visible. A menudo se hace necesario recurrir a otras longitudes de onda, tales como los rayos X, el ultravioleta o el infrarrojo, para estudiar ciertos objetos. La existencia de polvo junto con los gases que componen el espacio interestelar tampoco facilita para nada esta tarea. Sus granos absorben y esparcen las radiaciones emitidas por las estrellas en diversas longitudes de onda, incluso en las de la luz visible. En la práctica, el fenómeno de la extinción, tal como se conoce al efecto causado por esas finas partículas, altera el brillo de muchos objetos e impide las observaciones en ciertos planos y distancias de la galaxia. En el infrarrojo, longitud de onda utilizada tanto en los estudios de Damineli como en los de Lépine, el efecto de la extinción resulta menor.

Aunque los estudios de los dos astrofísicos de la USP no apuntan una misma configuración de los brazos de la Vía Láctea, ambos coinciden en un punto: sus colegas del telescopio Spitzer deberían corregir la ilustración más difundida de la galaxia. Se trata de un hermoso mapa, divulgado a comienzos de 2008, que muestra la Vía Láctea solamente con dos brazos espiralados principales, Escudo-Centauro y Perseo. Otros dos brazos, Norma y Carina-Sagitario que se encuentran entre los brazos mayores, fueron rebajados a la condición de secundarios. Surgen más tenues, con trazos delgados. “Ellos prácticamente hicieron desaparecer el brazo de Carina, la región más visible de la galaxia”, se queja Damineli. También aparece en la figura un minibrazo recientemente descubierto, casi recto y que corre paralelo con la barra central de la galaxia, así como también el pequeño brazo (rama o brazo local) de Orión, donde se encuentra el Sol. En la versión anterior del mapa, de 2005, también emitida por el Spitzer, los cuatro brazos principales poseían el mismo status.

La crítica de varios astrofísicos al mapa, en el cual la simetría de la estructura es demasiado perfecta para ser real, es casi siempre la misma. “El dibujo refleja una visión más artística que científica y no utilizó los mejores indicadores de los brazos de la galaxia”, afirma la francesa Delphine Russeil, del Observatorio de Marsella, otra experta en el tema. “Si analizamos la presencia de objetos jóvenes en la Vía Láctea, todos coinciden en que existen cuatro brazos, aunque no conozcamos de hecho de qué modo las diferentes partes de esas estructuras se interconectan al ser vistas desde los Hemisferios Sur y Norte”.

El astrofísico norteamericano Robert Benjamin, de la Universidad de Wisconsin, uno de los implicados en la confección del polémico mapa, explica cómo se concibió el dibujo. “Resulta extraordinariamente difícil encapsular en una imagen los resultados de más de 50 años de investigaciones, realizadas por nosotros y por otros grupos del mundo”, dice Benjamin. “Algunos conglomerados de estrellas parecen indicar que existen dos brazos más gruesos y otros más delgados. El mapa fue nuestro mejor intento por reflejar esos datos”. El perfeccionamiento periódico de la ilustración es un objetivo cercano para el Spitzer, y hacia fines de este año se producirá una nueva versión de la ilustración.

Con la misma masa de Andrómeda
No son sólo los brazos de la Vía Láctea los que provocaron polémica. Recientemente, su masa y el status de segunda mayor galaxia de la vecindad cósmica fueron puestos en jaque. Hasta hace unos pocos años, todas las evidencias indicaban que Andrómeda poseía el doble de masa que la Vía Láctea y era la mayor de las más de 45 galaxias que conforman el denominado grupo local. “Parece ser que la Vía Láctea y Andrómeda tienen más o menos la misma masa total”, afirma el astrofísico Mark Reid, del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “Ésta es la interpretación más simple y directa proveniente de nuestros datos”. A comienzos de 2009, Reid dio a conocer mediciones consideradas bastante precisas que aumentaron en alrededor de un 15% la velocidad de rotación atribuida a la Vía Láctea. Ese estudio indicaba que la galaxia giraba a 966 mil kilómetros por hora en lugar de 805 mil kilómetros por hora, tal como se creía.

Si el cálculo de Reid fuera correcto, y casi nadie duda de ello, una conclusión indirecta del trabajo demuestra que la galaxia tiene que tener el doble de su masa total (la materia común más la misteriosa materia oscura) para girar a esa velocidad. La masa extra puede significar una mala noticia a largo plazo: nuestra galaxia podría colisionar con Andrómeda dentro de un tiempo menor al previsto de 5 mil millones de años.

Otro descubrimiento reciente, realizado en noviembre de 2010, puede, del mismo modo que la cuestión de los brazos de la Vía Láctea, suscitar muchas discusiones. Existen datos del satélite Fermi que sugieren que existen dos gigantescas burbujas formadas por rayos gama arriba y debajo del plano de la galaxia. Las sorprendentes burbujas estarían producidas por la supuesta actividad del agujero negro localizado en el núcleo galáctico. Habrá más debates y polémicas a la vista, por lo pronto.

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El Proyecto
Nueva física en el espacio — Formación y evolución de las estructuras en el Universo (n° 2006/56213-9); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Reuven Opher — IAG/USP; Inversión R$ 1.178.363,33 y US$ 523.179,96

Artículos científicos
MOISÉS, A.P. et al. Spectrophotometric distances to Galactic HII regions. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Publicado online 25 de nov de 2010.
LÉPINE, J.R.D. et al. The spiral structure of the galaxy revealed by CS sources and evidence for the 4:1 resonance. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En prensa.

 

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