Formación y evolución de galaxias.

El estudio de la formación y evolución de galaxias se ocupa de los procesos que formaron un universo heterogéneo a partir de un comienzo homogéneo, la formación de las primeras galaxias, la forma en que las galaxias cambian con el tiempo y los procesos que han generado la variedad de estructuras observadas en las galaxias cercanas. Se supone que la formación de galaxias se produce a partir de teorías de formación de estructuras, como resultado de pequeñas fluctuaciones cuánticas posteriores al Big Bang. El modelo más simple en acuerdo general con los fenómenos observados es el modelo Lambda-CDM, es decir, que el agrupamiento y la fusión permiten que las galaxias acumulen masa, lo que determina tanto su forma como su estructura.

Propiedades de las galaxias comúnmente observadas

Diagrama de tenedor Hubble de morfología galaxia

Debido a la incapacidad de realizar experimentos en el espacio exterior, la única forma de "probar" teorías y modelos de evolución de galaxias es compararlos con las observaciones. Las explicaciones de cómo se formaron y evolucionaron las galaxias deben poder predecir las propiedades observadas y los tipos de galaxias.

Edwin Hubble creó el primer esquema de clasificación de galaxias conocido como diagrama de diapasón de Hubble. Partidió las galaxias en elípticas, espirales normales, espirales barradas (como la Vía Láctea) e irregulares. Estos tipos de galaxias exhiben las siguientes propiedades que pueden ser explicadas por las teorías actuales de evolución de galaxias:

• Muchas de las propiedades de las galaxias (incluyendo el diagrama de color de galaxias) indican que existen básicamente dos tipos de galaxias. Estos grupos se dividen en galaxias azules formadoras de estrellas que son más como tipos de espiral, y galaxias rojas no estrella que forman más como galaxias elípticas.
• Las galaxias espirales son muy delgadas, densas y giran relativamente rápido, mientras que las estrellas de las galaxias elípticas tienen órbitas orientadas al azar.
• La mayoría de galaxias gigantes contienen un agujero negro supermasivo en sus centros, que van en masa de millones a miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. La masa de agujero negro está ligada a la abultadura de la galaxia anfitriona o la masa esférica.
• La metalicidad tiene una correlación positiva con la magnitud absoluta (luminosidad) de una galaxia.

Existe una idea errónea común de que el Hubble creía incorrectamente que el diagrama del diapasón describía una secuencia evolutiva para las galaxias, desde las galaxias elípticas hasta las galaxias espirales, pasando por las lenticulares. Este no es el caso; en cambio, el diagrama del diapasón muestra una evolución de simple a complejo sin intención de connotaciones temporales. Los astrónomos ahora creen que las galaxias de disco probablemente se formaron primero y luego evolucionaron a galaxias elípticas a través de fusiones de galaxias.

Los modelos actuales también predicen que la mayor parte de la masa de las galaxias está formada por materia oscura, una sustancia que no es directamente observable y que podría no interactuar por ningún medio excepto por la gravedad. Esta observación surge porque las galaxias no podrían haberse formado como lo han hecho, o rotar como se las ve, a menos que contengan mucha más masa de la que se puede observar directamente.

Formación de galaxias de disco

La etapa más temprana en la evolución de las galaxias es su formación. Cuando se forma una galaxia, tiene forma de disco y se denomina galaxia espiral debido a que tiene un "brazo" en forma de espiral. estructuras ubicadas en el disco. Existen diferentes teorías sobre cómo estas distribuciones de estrellas en forma de disco se desarrollan a partir de una nube de materia: sin embargo, en la actualidad, ninguna de ellas predice exactamente los resultados de la observación.

Teorías de arriba hacia abajo

Olin Eggen, Donald Lynden-Bell y Allan Sandage en 1962 propusieron una teoría según la cual las galaxias de disco se forman a través del colapso monolítico de una gran nube de gas. La distribución de la materia en el universo primitivo fue en grupos que consistían principalmente en materia oscura. Estos grupos interactuaron gravitacionalmente, ejerciendo pares de marea entre sí que actuaron para darles un momento angular. A medida que la materia bariónica se enfriaba, disipaba algo de energía y se contraía hacia el centro. Conservando el momento angular, la materia cercana al centro acelera su rotación. Luego, como una bola giratoria de masa de pizza, la materia se convierte en un disco compacto. Una vez que el disco se enfría, el gas no es gravitacionalmente estable, por lo que no puede permanecer como una nube homogénea singular. Se rompe y estas nubes de gas más pequeñas forman estrellas. Dado que la materia oscura no se disipa sino que solo interactúa gravitatoriamente, queda distribuida fuera del disco en lo que se conoce como halo oscuro. Las observaciones muestran que hay estrellas ubicadas fuera del disco, lo que no encaja del todo con la "masa de pizza" modelo. Leonard Searle y Robert Zinn propusieron por primera vez que las galaxias se forman por la coalescencia de progenitores más pequeños. Conocido como un escenario de formación de arriba hacia abajo, esta teoría es bastante simple pero ya no es ampliamente aceptada.

Teoría de abajo hacia arriba

Teorías más recientes incluyen la agrupación de halos de materia oscura en el proceso ascendente. En lugar de que grandes nubes de gas colapsen para formar una galaxia en la que el gas se descomponga en nubes más pequeñas, se propone que la materia comenzó en estos grupos "más pequeños" (masa del orden de los cúmulos globulares), y luego muchos de estos grupos se fusionaron para formar galaxias, que luego fueron atraídas por la gravedad para formar cúmulos de galaxias. Esto todavía da como resultado distribuciones de materia bariónica en forma de disco con materia oscura formando el halo por las mismas razones que en la teoría de arriba hacia abajo. Los modelos que utilizan este tipo de proceso predicen más galaxias pequeñas que grandes, lo que coincide con las observaciones.

Los astrónomos actualmente no saben qué proceso detiene la contracción. De hecho, las teorías de la formación de galaxias de disco no tienen éxito en producir la velocidad de rotación y el tamaño de las galaxias de disco. Se ha sugerido que la radiación de estrellas brillantes recién formadas o de un núcleo galáctico activo puede retardar la contracción de un disco en formación. También se ha sugerido que el halo de materia oscura puede atraer a la galaxia, deteniendo así la contracción del disco.

El modelo Lambda-CDM es un modelo cosmológico que explica la formación del universo después del Big Bang. Es un modelo relativamente simple que predice muchas propiedades observadas en el universo, incluida la frecuencia relativa de diferentes tipos de galaxias; sin embargo, subestima la cantidad de galaxias de disco delgado en el universo. La razón es que estos modelos de formación de galaxias predicen un gran número de fusiones. Si las galaxias del disco se fusionan con otra galaxia de masa comparable (al menos el 15 por ciento de su masa), es probable que la fusión destruya o, como mínimo, interrumpa en gran medida el disco, y no se espera que la galaxia resultante sea una galaxia de disco (consulte la siguiente sección). Si bien esto sigue siendo un problema sin resolver para los astrónomos, no significa necesariamente que el modelo Lambda-CDM esté completamente equivocado, sino que requiere un mayor refinamiento para reproducir con precisión la población de galaxias en el universo.

Fusiones de galaxias y formación de galaxias elípticas

Imagen del artista de una tormenta de fuegos de nacimiento estrella dentro del núcleo de una galaxia elíptica joven y creciente.

NGC 4676 (Mice Galaxies) es un ejemplo de una fusión actual.

Las Galaxias Antennae son un par de galaxias colliding – los nudos brillantes y azules son estrellas jóvenes que recientemente han encendido como resultado de la fusión.

ESO 325-G004, una galaxia elíptica típica.

Las galaxias elípticas (sobre todo las elípticas supergigantes, como ESO 306-17) se encuentran entre algunas de las más grandes conocidas hasta el momento. Sus estrellas están en órbitas que están orientadas aleatoriamente dentro de la galaxia (es decir, no giran como las galaxias de disco). Una característica distintiva de las galaxias elípticas es que la velocidad de las estrellas no contribuye necesariamente al aplanamiento de la galaxia, como en las galaxias espirales. Las galaxias elípticas tienen agujeros negros supermasivos centrales y las masas de estos agujeros negros se correlacionan con la masa de la galaxia.

Las galaxias elípticas tienen dos etapas principales de evolución. El primero se debe al crecimiento del agujero negro supermasivo mediante la acumulación de gas refrigerante. La segunda etapa está marcada por la estabilización del agujero negro al suprimir el enfriamiento del gas, dejando así a la galaxia elíptica en un estado estable. La masa del agujero negro también se correlaciona con una propiedad llamada sigma, que es la dispersión de las velocidades de las estrellas en sus órbitas. Esta relación, conocida como relación M-sigma, se descubrió en el año 2000. Las galaxias elípticas en su mayoría carecen de discos, aunque algunas protuberancias de las galaxias de disco se asemejan a las galaxias elípticas. Es más probable que las galaxias elípticas se encuentren en regiones pobladas del universo (como los cúmulos de galaxias).

Los astrónomos ahora ven las galaxias elípticas como algunos de los sistemas más evolucionados del universo. Está ampliamente aceptado que la principal fuerza impulsora de la evolución de las galaxias elípticas son las fusiones de galaxias más pequeñas. Muchas galaxias en el universo están unidas gravitacionalmente a otras galaxias, lo que significa que nunca escaparán de su atracción mutua. Si las galaxias tienen un tamaño similar, la galaxia resultante no se parecerá a ninguno de los progenitores, sino que será elíptica. Hay muchos tipos de fusiones de galaxias, que no necesariamente resultan en galaxias elípticas, pero sí en un cambio estructural. Por ejemplo, se cree que está ocurriendo un evento de fusión menor entre la Vía Láctea y las Nubes de Magallanes.

Las fusiones entre galaxias tan grandes se consideran violentas, y la interacción por fricción del gas entre las dos galaxias puede causar ondas de choque gravitacionales, que son capaces de formar nuevas estrellas en la nueva galaxia elíptica. Al secuenciar varias imágenes de diferentes colisiones galácticas, se puede observar la línea de tiempo de dos galaxias espirales que se fusionan en una sola galaxia elíptica.

En el Grupo Local, la Vía Láctea y la Galaxia de Andrómeda están unidas gravitacionalmente y actualmente se acercan a gran velocidad. Las simulaciones muestran que la Vía Láctea y Andrómeda están en curso de colisión y se espera que colisionen en menos de cinco mil millones de años. Durante esta colisión, se espera que el Sol y el resto del Sistema Solar sean expulsados de su trayectoria actual alrededor de la Vía Láctea. El remanente podría ser una galaxia elíptica gigante.

Extinción de galaxias

La formación estelar en lo que ahora son galaxias "muertos" sputtered out billions of years ago.

Una observación (ver arriba) que debe ser explicada por una teoría exitosa de la evolución de las galaxias es la existencia de dos poblaciones diferentes de galaxias en el diagrama color-magnitud de las galaxias. La mayoría de las galaxias tienden a caer en dos ubicaciones separadas en este diagrama: una "secuencia roja" y una "nube azul". Las galaxias de secuencia roja son generalmente galaxias elípticas que no forman estrellas y tienen poco gas y polvo, mientras que las galaxias de nubes azules tienden a ser galaxias espirales polvorientas que forman estrellas.

Como se describió en las secciones anteriores, las galaxias tienden a evolucionar de una estructura espiral a una elíptica a través de fusiones. Sin embargo, la tasa actual de fusiones de galaxias no explica cómo se mueven todas las galaxias desde la 'nube azul'. a la "secuencia roja". Tampoco explica cómo cesa la formación estelar en las galaxias. Por lo tanto, las teorías de la evolución de las galaxias deben ser capaces de explicar cómo se apaga la formación estelar en las galaxias. Este fenómeno se llama "apagado" de galaxias.

Las estrellas se forman a partir del gas frío (consulte también la ley de Kennicutt-Schmidt), por lo que una galaxia se apaga cuando ya no tiene gas frío. Sin embargo, se cree que el enfriamiento ocurre relativamente rápido (dentro de mil millones de años), que es mucho más corto que el tiempo que le tomaría a una galaxia simplemente agotar su reserva de gas frío. Los modelos de evolución de galaxias explican esto mediante la hipótesis de otros mecanismos físicos que eliminan o cierran el suministro de gas frío en una galaxia. Estos mecanismos se pueden clasificar en términos generales en dos categorías: (1) mecanismos de retroalimentación preventivos que evitan que el gas frío ingrese a una galaxia o que dejen de producir estrellas, y (2) mecanismos de retroalimentación de eyección que eliminan el gas para que no pueda formar estrellas.

Un mecanismo preventivo teórico llamado "estrangulación" evita que el gas frío ingrese a la galaxia. La estrangulación es probablemente el mecanismo principal para apagar la formación de estrellas en las galaxias cercanas de baja masa. Aún se desconoce la explicación física exacta del estrangulamiento, pero puede tener que ver con las interacciones de una galaxia con otras galaxias. Cuando una galaxia cae en un cúmulo de galaxias, las interacciones gravitatorias con otras galaxias pueden estrangularla al evitar que acumule más gas. Para las galaxias con halos masivos de materia oscura, otro mecanismo preventivo llamado "calentamiento por choque virial" también puede evitar que el gas se enfríe lo suficiente como para formar estrellas.

Los procesos de eyección, que expulsan gas frío de las galaxias, pueden explicar cómo se extinguen las galaxias más masivas. Un mecanismo de eyección es causado por agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias. Las simulaciones han demostrado que el gas que se acumula en los agujeros negros supermasivos en los centros galácticos produce chorros de alta energía; la energía liberada puede expulsar suficiente gas frío para sofocar la formación estelar.

Nuestra propia Vía Láctea y la cercana Galaxia de Andrómeda actualmente parecen estar experimentando una transición apagada de galaxias azules con formación estelar a galaxias rojas pasivas.

Galería

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  NGC 3610 muestra alguna estructura en forma de un disco brillante, lo que implica que se formó hace poco tiempo.

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  NGC 891, una galaxia de disco muy delgada

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  Una imagen de Messier 101, una galaxia espiral prototípica vista cara a cara

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  Una galaxia espiral, ESO 510-G13, fue calada como resultado de colisionar con otra galaxia. Después de que la otra galaxia esté completamente absorbida, la distorsión desaparecerá. El proceso normalmente toma millones si no miles de millones de años.