Arqueología Galáctica

 Galactic Archaeology                                   (traducción y vínculos, por jav y Word)

https://airandspace.si.edu/air-and-space-quarterly/winter-2022/galactic-archaeology

Los astrónomos están descifrando la violenta historia de la Vía Láctea, una estrella a la vez.

La Vía Láctea se ha instalado en una vida cómoda y tranquila. Nuestro hogar galáctico da a luz a unas pocas estrellas al año, pero no demasiadas. Una estrella ocasionalmente explota, pero no con demasiada frecuencia. El disco de gas caliente alrededor del agujero negro supermasivo en su núcleo a veces se inflama, pero no demasiado brillante. Todo lo que parece faltar para completar esta imagen de satisfacción es un par de pantuflas y una pipa.

Sin embargo, ese no siempre ha sido el caso. Durante sus primeros años, la Vía Láctea fue un poco infernal. Tiró de varias galaxias más pequeñas y las hizo pedazos. Las estrellas y los cúmulos estelares de las galaxias destruidas fueron anexados por la fuerza, muchos de ellos estableciéndose en su halo extendido. Parte de su gas y polvo cayeron en el disco de nuestra galaxia, dando a luz a más estrellas. En resumen, esas galaxias más pequeñas ayudaron a moldear la Vía Láctea en la magnífica espiral que gira a través del universo hoy en día.

"Cuando estaba creciendo, la idea era que la galaxia se formó por el colapso monolítico de una gran nube de gas", dice Simon Schuler, profesor asistente de física en la Universidad de Tampa. "Pero la evidencia ahora sugiere que las fusiones de galaxias más pequeñas juegan un papel muy importante en este proceso".

La mayoría de esas galaxias han desaparecido hace mucho tiempo (hay una sobreviviente, pero también está condenada). Sin embargo, quedan indicios de las galaxias fusionadas. Y al igual que los arqueólogos, los astrónomos están cavando a través de los restos para ayudar a reconstruir la historia de la Vía Láctea. Están aprendiendo cómo creció la galaxia, cómo cambió su amplio disco a lo largo de los eones y cómo está siendo influenciado por otras galaxias incluso ahora.

"La arqueología galáctica está observando el registro fósil de nuestra galaxia", dice Melissa Ness, astrónoma de la Universidad de Columbia y del Centro de Astrofísica Computacional de la Fundación Simons. "Estamos retrocediendo el reloj para entender cómo se veía hace mil millones de años, hace dos mil millones de años, y así sucesivamente, de vuelta a los primeros tiempos".

Nuestros fósiles son bastante inusuales porque no podemos sostenerlos en nuestras manos.

"La formación de la arqueología galáctica ha ayudado a astrónomos y físicos de campos dispares a unirse como comunidad para compartir datos y colaborar, similar al desarrollo del campo de la heliofísica", dice Samantha Thompson, curadora de historia espacial en el Museo Nacional del Aire y el Espacio. "Por lo tanto, los datos adquiridos a través de este esfuerzo pueden ayudar a muchos campos de la astronomía. Los datos más precisos sobre muchas más estrellas en nuestra galaxia ayudarán a los astrónomos a comprender mejor cómo evolucionan las estrellas, lo que afecta su comprensión de cómo evolucionó la galaxia. Cuanto mejor entendamos las estrellas, mejor podremos entender los planetas que las orbitan, un elemento clave para comprender los sistemas estelares fuera del nuestro".

Excavando en busca de estrellas
"Nuestros fósiles son bastante inusuales porque no podemos sostenerlos en nuestras manos", dice Sven Buder, investigador de la Universidad Nacional de Australia en Canberra. "Eso es porque nuestros fósiles son estrellas y el gas y el polvo entre ellas".

Hay muchos fósiles estelares para examinar. La Vía Láctea es una galaxia espiral gigante que contiene al menos 100 mil millones de estrellas. Su cuerpo en forma de disco abarca al menos 100.000 años luz, con algunos estudios recientes que sitúan el diámetro en más del doble. Un halo esférico de materiaoscura, materia misteriosa e invisible que representa el 85 por ciento de la masa en el universo, y estrellas viejas y débiles. rodean el disco, extendiéndose cientos de miles de años luz en todas las direcciones.

Excavar a través del registro arqueológico de este enorme universo insular requiere poderosas palas, picos y escobas. El conjunto de herramientas incluye telescopios para estudiar los movimientos, composiciones y edades de millones de estrellas, y un telescopio espacial pionero para trazar las posiciones y movimientos de más de mil millones más. El sofisticado software informático busca patrones en los montículos de datos: estrellas que se mueven juntas por el espacio, estrellas con edades coincidentes y estrellas con la misma química. Los patrones producen no solo grandes descubrimientos, el equivalente galáctico de ídolos dorados y cámaras funerarias ocultas, sino también las pilas de basura y los fuegos del hogar que revelan los detalles de la vida cotidiana.

"El campo [de la arqueología galáctica] había estado creciendo durante décadas, pero el cambio realmente grande, en las últimas dos décadas más o menos, ha sido el advenimiento de enormes conjuntos de datos astronómicos producidos por estudios del cielo realmente grandes", dice Daniel Zucker, profesor asociado de astronomía y física en la Universidad Macquarie en Australia. "Estos enormes conjuntos de datos nos están permitiendo desenredar la compleja historia de la galaxia". 

En lo profundo de la Vía Láctea, el cúmulo Terzan 5 contiene estrellas que tienen 12 mil millones de años. Otras estrellas en el cúmulo, la mitad de esa edad, probablemente fueron despojadas de otra galaxia.

Equipos de todo el mundo están llevando a cabo varios de estos estudios, que utilizan una técnica llamada espectroscopia para difundir la luz de una estrella en sus longitudes de onda o colores individuales. Cada elemento químico en la estrella deja una huella única en el espectro resultante, como un código de barras. A partir de esos códigos de barras, los astrónomos compilan un dossier completo sobre la estrella, determinando su composición, temperatura de la superficie, movimiento hacia o lejos de nosotros, y si tiene estrellas o planetas compañeros.

El Telescopio Espacial Gaia proporciona datos notablemente precisos sobre los movimientos de las estrellas. Los rastros blancos en esta imagen muestran el movimiento predicho de 40.000 estrellas a lo largo de 400.000 años.

El uso de estrellas para rastrear la historia de la galaxia también requiere algunos otros datos clave: la distancia de una estrella, el movimiento a través del cielo y la edad. La mayoría de las mediciones provienen de lo que puede ser el jugador más valioso de la arqueología galáctica: el telescopio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea.

"Usando datos previos a Gaia, la gente estaba haciendo grandes incursiones en el campo", dice Diederik Kruijssen, astrofísico de la Universidad de Heidelberg en Alemania. "Gaia los sacó a todos del agua. Está mirando más de mil millones de estrellas, dándonos su movimiento en el cielo y su distancia exacta. Y para unos siete millones de estrellas, está agregando velocidad radial [el movimiento de la estrella hacia o lejos de nosotros], por lo que estamos obteniendo las posiciones y velocidades 3D de todas estas estrellas. Cuando combinas los datos de Gaia con los grandes estudios espectroscópicos, que te dicen la composición, es posible hacer arqueología".

Brechas generacionales
Gaia está produciendo mapas detallados de la galaxia. Para extender esos mapas a la cuarta dimensión, el tiempo, los científicos también necesitan conocer las edades de las estrellas. "En arqueología, una de las cosas más útiles que puedes aprender es qué tan viejo es algo", dice Jennifer Johnson, profesora de astronomía en la Universidad Estatal de Ohio y una de las líderes de la encuesta Sloan. "En arqueología galáctica, hemos aprendido mucho sobre cómo obtener edades para las estrellas".

Hasta la última década más o menos, los astrónomos se conformaron con estimaciones basadas en modelos de cómo evolucionan las estrellas. Hoy, sin embargo, gracias a un modelado mejorado basado en la composición de una estrella y algunos otros desarrollos clave, pueden determinar las edades de las estrellas, y especialmente los grupos de estrellas, con bastante precisión.

Uno de esos otros desarrollos provino de una fuente poco probable: el Telescopio Espacial Kepler. Fue diseñado para buscar planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro propio sistema solar, y después de que se lanzó en 2009, descubrió miles de mundos confirmados o candidatos. Para hacerlo, el telescopio mantuvo un ojo constante en cientos de miles de estrellas durante períodos de semanas a años. Estas observaciones revelaron cambios en la superficie de muchas de las estrellas, que fueron producidos por ondas sonoras que ondulaban a través de sus interiores. Así como las ondas sonoras que viajan a través de la Tierra permiten a los científicos sondear el interior de nuestro planeta, las ondas estelares revelan la estructura interna de una estrella. A medida que una estrella evoluciona, esa estructura cambia, por lo que el mapeo de sus entrañas proporciona una medición precisa de su edad.

"Kepler se ha convertido en una gran bendición para la arqueología galáctica", dice Ness. "Nos da un estándar de referencia para medir las edades de las estrellas", lo que permite a los astrónomos determinar las edades de otras estrellas comparando sus características con las de la muestra de Kepler. Además, Ness dice que la técnica de Kepler proporciona una "hermosa simbiosis" con técnicas que derivan las edades midiendo la química estelar, que está determinada por el lugar de nacimiento de una estrella y el material del que nació, así como la posterior draga de material producido en las reacciones nucleares que tienen lugar en su núcleo.

Cuando nace una estrella, consiste casi en su totalidad en los dos elementos más ligeros, hidrógeno y helio, que se crearon en el Big Bang. Casi todos los demás elementos de la tabla periódica se forjan en los corazones de las estrellas a través de la fusión nuclear, en la que los elementos más ligeros se combinan para hacer más pesados (y liberar la energía que hace brillar la estrella). Con el tiempo, algunos de los elementos más nuevos salen a la superficie. La medición de las cantidades de diferentes elementos, combinada con la masa de una estrella y otros detalles, revela cuánto tiempo ha estado funcionando el reactor nuclear de la estrella.

Los arqueólogos galácticos incluso tienen su propia versión de la datación por carbono, ya que una medida clave es la proporción de carbono a nitrógeno en estrellas viejas e hinchadas conocidas como gigantes rojas. Tales estrellas son cientos o miles de veces más brillantes que el sol, por lo que se pueden ver a través de grandes distancias, lo que las convierte en buenos trazadores de la evolución de toda la galaxia. Debido a eso, algunas investigaciones se están concentrando en estas estrellas envejecidas.

Las proporciones de elementos más pesados también revelan detalles sobre cuándo y dónde nació una estrella.

El plasma gira en espiral por encima de una región activa en el sol. Las mediciones de la turbulencia estelar han arrojado detalles sobre la estructura interna de decenas de miles de estrellas.

Cada generación de estrellas produce más elementos pesados, mientras que las estrellas en explosión conocidas como supernovas producen aún más durante sus muertes cataclísmicas. A medida que mueren, expulsan gran parte de su material al espacio, donde se puede incorporar a nuevas estrellas. Como resultado, cada generación sucesiva de estrellas nace con un porcentaje ligeramente mayor de elementos más pesados, por lo que las mediciones precisas de la composición de una estrella ayudan a revelar su edad.

Las galaxias más pequeñas dan a luz menos estrellas masivas que mueren como supernovas, por lo que medir las proporciones de los elementos que producen en estrellas de edades similares puede revelar dónde nacieron las estrellas.

Inmigrantes estelares
Resulta que bastantes de las estrellas en nuestra galaxia son inmigrantes, nacidas en galaxias más pequeñas que fueron engullidas por la Vía Láctea más grande.

Los astrónomos han descubierto esos inmigrantes principalmente en el halo de la galaxia, ya sea en largas serpentinas de estrellas o en familias de estrellas conocidas como cúmulos globulares, bolas densas de cientos de miles de estrellas antiguas. Un tercio o más de los 157 cúmulos globulares conocidos de la Vía Láctea podrían haber sido adquiridos de otras galaxias.

"Los cúmulos globulares son súper viejos, casi tan viejos como el universo mismo", dice Kruijssen, cuyo equipo entrenó una red neuronal para relacionar las propiedades de los cúmulos globulares con sus galaxias madre. "Podemos medir el número de estrellas que tienen, su composición, cómo se mueven y dónde se encuentran en la Vía Láctea. Estas propiedades codifican algo sobre de dónde vinieron".

Las serpentinas, por otro lado, son como grandes trenes de carga con cientos o miles de coches. Fueron alejados de sus galaxias madre por la gravedad más fuerte de la Vía Láctea. Las estrellas de una serpentina tienen aproximadamente la misma edad y composición, y orbitan juntas el centro de la Vía Láctea. En algunos casos, están conectados a cúmulos globulares individuales.

Combinadas, estas observaciones han revelado una compleja historia de fusión para la primera mitad de la vida de la Vía Láctea.

Nuestra galaxia probablemente nació hace unos 13.500 millones de años, solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Nubes gigantes de gas colapsaron para formar las primeras estrellas (incluidas las de los cúmulos globulares), que se agruparon en pepitas galácticas relativamente pequeñas. En el abarrotado universo temprano, muchas de esas pepitas se fusionaron para formar galaxias más grandes, incluida la Vía Láctea.

Los astrónomos dicen que es imposible desenredar esas primeras fusiones. Es posible, sin embargo, rastrear la historia de la fusión hasta hace unos 11 mil millones de años. Hay evidencia de cinco eventos significativos (más unos 10 más pequeños), todos ellos involucrando galaxias que eran mucho más pequeñas que la Vía Láctea. "El panorama general es que la Vía Láctea se formó inusualmente rápido, y tuvo una vida muy inactiva después de eso en comparación con galaxias de tamaño similar", dice Kruijssen. "Tengo el presentimiento de que esta puede ser una de las principales razones por las que existimos. Las galaxias en colisión no son buenos lugares para vivir. Obtienes mucha formación de nuevas estrellas, y muchas de las estrellas detonan como supernovas. Ese no es un ambiente amigable para el ser humano porque una supernova cercana puede producir eventos de extinción masiva".

A lo largo de los años, el Telescopio Espacial Hubble ha capturado docenas de imágenes de galaxias en colisión en todo el universo. Más cerca de casa, hay evidencia de cinco colisiones significativas que involucran a nuestra Vía Láctea y otras galaxias más pequeñas.

Salchicha cósmica
La primera fusión de la que los astrónomos han encontrado evidencia también fue la más dramática. Kruijssen y sus colegas predijeron la existencia de esta galaxia en 2019 comparando sus simulaciones de la formación de la Vía Láctea con la población de cúmulos globulares observada. Calcularon que la masa total de las estrellas en la galaxia que se fusiona, llamada Kraken, era aproximadamente el tres por ciento de la de la Vía Láctea (aunque tenía una mayor proporción de materia oscura, lo que aumentaba su peso relativo). Sin embargo, Kraken era la galaxia de fusión más grande en relación con la Vía Láctea en el momento de cualquier fusión y contribuyó con aproximadamente 13 de los cúmulos globulares de la Vía Láctea. Los escombros de Kraken han sido encontrados desde entonces por el equipo de Kruijssen, así como por otros tres grupos independientes.

Siguieron fusiones con dos galaxias más pequeñas: las corrientes Helmi y la Galaxia Sequoia. Y hace unos nueve mil millones de años, una galaxia tan masiva como Kraken se estrelló contra la Vía Láctea. Se conoce como la salchicha Gaia, Gaia-Encelado, o la Salchicha Gaia-Encelado (GES). Se cree que probablemente contribuyó con unos 20 cúmulos globulares al halo.

"Esa fusión es digna de mención, ya que fue un evento bastante masivo", dice Sergey Koposov, astrónomo de la Universidad de Edimburgo que ha estudiado la fusión.

"Vemos una subestructura de estrellas que creemos, en función de sus movimientos, que no se formó en la Vía Láctea", dice Zucker. "Fueron absorbidos, mezclados. Pero sus movimientos son lo suficientemente distintos como para que se destaquen. Es como si la Vía Láctea se comiera la salchicha, pero no está completamente digerida".

La fusión de GES podría haber tenido un gran impacto en el disco de la Vía Láctea, así como en el halo. El disco está construido como un ravioli redondo, con un disco delgado envuelto en uno más grueso. Aproximadamente nueve décimas partes de las estrellas residen en el disco delgado, donde están más apretadas. En promedio, las estrellas en el disco delgado son miles de millones de años más jóvenes que las del disco grueso.

Incluso antes de que se descubriera GES, los científicos habían propuesto que el disco ganó esa estructura en capas cuando una galaxia más pequeña se estrelló contra la Vía Láctea. A medida que las estrellas surcaban el disco, agitaban sus estrellas residentes y nubes de gas, haciendo que el disco fuera más hinchado. Además, el gas de la galaxia en colisión cayó en el disco, provocando el nacimiento de nuevas estrellas, especialmente a lo largo del plano galáctico. Muchas de las primeras estrellas de la galaxia permanecieron en el disco grueso recién creado, mientras que el disco delgado ganó una nueva generación de estrellas.

Aunque la idea sigue siendo "algo especulativa", dice Koposov, el momento de la fusión de GES con la Vía Láctea parece coincidir con la creación del disco grueso, lo que sugiere que la galaxia más pequeña fue responsable de esculpir la estructura en capas del disco.

La última gran fusión comenzó hace quizás seis mil millones de años y continúa hoy, aunque la galaxia que se fusiona no se descubrió hasta 1994. Esto se debe a que a pesar de que la Enana de Sagitario es el vecino galáctico más cercano de la Vía Láctea, a unos 70.000 años luz de la Tierra, en las afueras del disco, está detrás del centro galáctico, por lo que está velada tanto por estrellas brillantes como por nubes oscuras de polvo. Desde su descubrimiento, los astrónomos han encontrado "colas" de sus estrellas envolviendo todo el camino alrededor de la Vía Láctea.

Las simulaciones sugieren que Sagitario ha atravesado la Vía Láctea tres veces, agitando nuestra galaxia con cada encuentro. Ha aportado gas que ha dado a luz a nuevas estrellas. Y como una bola de bolos lanzada en un estanque, Sagitario ha creado olas en el disco de la Vía Láctea que han ayudado a comprimir sus nubes de gas y conducir al nacimiento de aún más estrellas.

 Más allá de la Vía Láctea
Rastrear la historia de la Vía Láctea es solo el primer paso para los arqueólogos galácticos. "En un nivel superior, el objetivo del tema es aprender lo suficiente sobre los procesos físicos que han llevado, a lo largo de la historia del universo, a la galaxia que es nuestra Vía Láctea hoy en día, y que luego establezcamos nuestra galaxia como una 'Piedra Rosetta' para compararla con otras galaxias a través del tiempo cósmico", dice Gerry Gilmore, profesor de filosofía experimental en la Universidad de Cambridge de Inglaterra y uno de los proponentes originales de la misión Gaia. "Aspiramos a aprender lo que siempre es importante en la evolución de las galaxias, lo que conduce a diferentes resultados, lo que es estructural, lo que es el azar".

Hay mucha arqueología "futura" para que los científicos también la estudien. Aunque la moderna Vía Láctea es bastante tranquila, sus días de infierno no han terminado. Algún día podría absorber las Nubes de Magallanes en tan solo 1.500 millones de años.

Las simulaciones sugieren que Sagitario ha atravesado la Vía Láctea tres veces, agitando nuestra galaxia con cada encuentro.

Y, en unos 4.500 millones de años, la Vía Láctea chocará con M31, la Galaxia de Andrómeda, que es más grande y masiva que la Vía Láctea. Durante un tiempo, las galaxias gigantes se verán como un par de dragones encerrados en combate mortal, con grandes serpentinas de estrellas arrojadas al espacio y los fuegos de gigantescos viveros estelares ardiendo a través de sus cuerpos. Después de quizás varios cruces, las galaxias se asentarán, formando la más tranquila de todas las galaxias, una elíptica gigante. La elíptica se verá como una pastilla opaca y borrosa, llena de estrellas viejas que se están desvaneciendo lentamente. Una vez más será el momento de sacar las pantuflas y la pipa.

Nuestra galaxia todavía está evolucionando. Esta ilustración de la NASA representa el cielo nocturno en 3.750 millones de años, cuando la Vía Láctea se fusione con M31, la galaxia de Andrómeda.

Damond Benningfield es un escritor científico independiente y productor de radio en Austin, Texas.