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.
En el ejemplo de la figura, normalmente damos
la velocidad de los carritos y el tren y no especificamos “respecto a que”,
porque suponemos que es “respecto al suelo”, pero esto es necesario tenerlo
claro, en el caso de un problema real, o
de un examen que va a ser evaluado.
