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Un gran programa de observación genera una nueva teoría de formación galáctica

La mayoría de las galaxias que existen en la actualidad pertenece al grupo de las espirales, es decir, las que presentan un disco que rodea a un abultamiento central. ¿Cuándo y cómo se formaron esas galaxias en espiral?. ¿Por qué una gran mayoría de ellas presenta un abultamiento central masivo?

Un equipo internacional de astrónomos presenta nuevas y convincentes respuestas a estas preguntas fundamentales. Para hacerlo, se basan en un gran conjunto de datos proveniente de observaciones de galaxias realizados con varios instrumentos con base tanto en el espacio como en tierra. En particular utilizaron, por un período de más de dos años, varios instrumentos del Telescopio Muy Grande (VLT = Very Large Telescope) de ESO (European Southern Observatory = Observatorio Austral Europeo)

Entre otras cosas, sus observaciones revelan que aproximadamente la mitad de las estrellas actuales se formaron hace entre 8.000 millones y 4.000 millones de años, principalmente en estallidos episódicos de formación estelar intensa que ocurrieron en Galaxias Infrarrojas Luminosas (LIRGs = Luminous Infra-Red Galaxies)

A partir de esta y otras evidencias, los astrónomos diseñaron un innovador escenario, denominado “reconstrucción espiral”. Ellos mantienen que la mayor parte de las galaxias espirales actuales son el resultado de uno o varios eventos de fusión. Si se confirmara, este nuevo escenario podría revolucionar la forma en que los astrónomos piensan que se formaron las galaxias.

Una flota de instrumentos

¿Cómo y cuando se formaron las galaxias? ¿Cuándo y cómo se formaron las estrellas en estos universos-islas?. Estas preguntas siguen representado un reto considerable para los astrónomos de hoy en día.

Antenas del Radio-Interferómetro VLA (Very Large Array), Socorro, Nuevo México.

Los resultados de observaciones en la línea del frente, obtenidos con una flota de telescopios con base en tierra y en el espacio y realizados por un equipo internacional de astrónomos proporcionan nuevos conocimientos acerca de estos asuntos fundamentales.

Para esto, se embarcaron en un ambicioso estudio a largo plazo realizado en varias longitudes de onda sobre 195 galaxias con un corrimiento al rojo mayor a 0,4, es decir, que estuvieran localizadas a más de 4.000 millones de años luz de distancia. Estas galaxias fueron analizadas utilizando el Telescopio Muy Grande de ESO, así como el Telescopio Espacial Hubble de NASA / ESA, el Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO = Infrared Space Observatory) de ESA y el Conjunto Muy Grande (VLA = Very Large Array) de NRAO.

Con el VLT, las observaciones se realizaron con las unidades Antu y Kueyen a lo largo de un período de más de dos años, utilizando los instrumentos casi gemelos FORS1 y FORS2 en la luz visible e ISAAC en el infrarrojo. En ambos casos, fue esencial apoyarse en las capacidades únicas del VLT para obtener espectros de alta calidad y con la resolución requerida.

Una flota de resultados

Imagen 02a/05: Relación de abundancia de oxígeno para las galaxias.

La imagen 02a/05 muestra la abundancia de oxígeno (expresada en fracciones del valor solar) como una función de la luminosidad de las galaxias (en escala logarítmica). Esta relación es fundamental en astrofísica.

La relación para las galaxias locales se muestra con la línea roja continua. Los puntos azules son los valores derivados de espectros obtenidos con VLT en un sub-grupo de las galaxias estudiadas. Revelan por primera vez que esta relación cambia con el tiempo: para un valor dado de luminosidad, las galaxias de diferentes edades presentan valores diferentes de abundancia de oxígeno.

A partir de su gran base de datos, los astrónomos pudieron deducir un número de conclusiones importantes.

Primero, basados en las luminosidades de las galaxias en el infrarrojo cercano, dedujeron que la mayoría de las galaxias estudiadas contenía entre 30.000 millones y 300.000 millones de masas solares en la forma de estrellas. Esto es aproximadamente un factor de 0,2 a 2 de la cantidad de masa que se encuentra en las estrellas de nuestra propia Vía Láctea.

En segundo lugar, descubrieron que al contrario de lo que sucede en nuestro universo local, donde las así llamadas Galaxias Infrarrojas Luminosas son objetos muy escasos, cuando nos encontramos con un corrimiento al rojo de 0,4 a 1, es decir, hace 4.000 millones a 8.000 millones de años en el pasado, aproximadamente un sexto de las galaxias brillantes son LIRGs.

VLT (Very Large Telescope) de ESO en Paranal, Chile. Crédito: ESO / Paranal

Como se cree que esta clase de galaxias en particular está atravesando una fase muy activa de formación estelar, con una duplicación de la masa estelar ocurriendo en menos de 1.000 millones de años, la existencia de una gran fracción de estas LIRG en el pasado universo tiene consecuencias importantes para la tasa total de formación estelar.

Como dice Francois Hammer (Observatorio de París, Francia), líder del equipo: “Es así que llegamos a la conclusión de que durante un lapso que se extendió desde hace unos 8.000 millones de años hasta hace unos 4.000 millones de años, las galaxias de masa intermedia convirtieron aproximadamente la mitad de su masa total en estrellas. Más aún, esta formación estelar debe haber ocurrido en estallidos muy intensos cuando las galaxias estaban emitiendo una enorme cantidad de radiación infrarroja, y aparecían como LIRGs”.

Otro resultado pudo ser asegurado utilizando los espectros obtenidos con el VLT: los astrónomos midieron las abundancias químicas en varias de las galaxias observadas (foto 02a/05). Encontraron que las galaxias con grandes corrimientos al rojo mostraban una abundancia de oxígeno dos veces menor a la de las galaxias espirales de hoy en día. Como el oxígeno de una galaxia es producido por las estrellas, esto proporciona también apoyo al hecho de que estas galaxias han estado formando activamente estrellas en el período que va desde los 8.000 millones hasta los 4.000 millones de años atrás.

Y como se cree que las colisiones y fusiones galácticas jugaron un rol importante para disparar estas fases de actividad aumentada de formación estelar, estas observaciones indican que la fusión galáctica aún ocurría frecuentemente hace menos de 8.000 millones de años.

Reconstrucción de galaxias espirales

Imagen 02b/05: El escenario de Reconstrucción de galaxias espirales.

La imagen 02b/05 es una representación esquemática del propuesto nuevo escenario de “reconstrucción de galaxias espirales”: las galaxias colisionan (1), y luego se fusionan (2), induciendo un estallido de actividad de formación estelar.

Luego de la fusión, el gas y las estrellas caen hacia el centro formando una estructura muy compacta (3). Parte del gas que no cayó inicialmente, reconstruye gradualmente un disco alrededor de la estructura compacta, creando así una nueva galaxia espiral (4 y 5).

Las imágenes son fotografías de galaxias distantes con varios corrimientos hacia el rojo tomadas por el Telescopio Espacial Hubble. El panel central muestra la tasa de formación estelar en función del tiempo. Los números coinciden con los números que se muestran en las imágenes.

La historia revelada por estas observaciones está de acuerdo con el escenario de la así llamada “fusión jerárquica de galaxias”, presente en la literatura científica desde hace unos 20 años. De acuerdo con este modelo, las galaxias pequeñas se fusionan para crear galaxias más grandes. Como apunta Francois Hammer: “En el escenario actual, comúnmente se asumía que la fusión de galaxias cesó casi totalmente hace unos 8.000 millones de años. Nuestro conjunto completo de observaciones muestra que la cosa está lejos de ser así. Durante los siguientes 4.000 millones de años, las galaxias continuaron fusionándose para formar las grandes espirales que observamos en el universo local”.

Para contemplar todas estas propiedades, los astrónomos diseñaron un nuevo escenario de formación galáctica, que comprende tres fases principales: un evento de fusión, una fase de galaxia compacta y una fase de “crecimiento del disco” (véase imagen 02b/05).

Telescopio Espacial Hubble. Crédito: NASA / ESA

A causa de los aspectos únicos de este escenario, donde las grandes galaxias primero son destrozadas por una gran colisión, para renacer luego como una galaxia espiral actual, los astrónomos, bastante lógicamente, denominaron a esta secuencia evolutiva “la reconstrucción de galaxias espirales”.

Aunque se enfrenta con las visiones estándar actuales que afirman que las fusiones galácticas producen galaxias elípticas en lugar de galaxias espirales, los astrónomos afirman que este escenario es consistente con las fracciones observadas de los diferentes tipos de galaxias, y pueden explicar todas las observaciones.

De hecho, este nuevo escenario puede explicar la formación de aproximadamente tres cuartos de las galaxias espirales actuales: aquellas que contienen un abultamiento central masivo. Podría, por ejemplo, aplicarse a la galaxia de Andrómeda, pero no a nuestra Vía Láctea. Parece que de alguna manera nuestra galaxia evitó grandes colisiones en los últimos miles de millones de años.

Observaciones futuras, en particular las que se obtengan con el instrumento FLAMES del VLT, mostrarán si las galaxias espirales son realmente sistemas renacidos recientemente, creados por grandes eventos de fusión.

Más información

La información presentada en este artículo de prensa ha sido publicada en la importante revista astronómica Astronomy & Astrophysics, volumen 430 (1). El artículo en inglés, ("Did most present-day spirals form during the last 8 Gyrs? - A formation history with violent episodes revealed by panchromatic observations" by F. Hammer et al.) está disponible en formato PDF en el sitio web de A&A.;

El equipo está compuesto por François Hammer and Hector Flores (Observatoire de Paris, Meudon, Francia), David Elbaz (CEA Saclay, Francia), Xian-Zhong Zheng (Observatoire de Paris, Meudon, Francia y Max-Planck Instiut für Astronomie, Alemania), Yan-Chun Liang (Observatoire de Paris, Meudon, Francia and National Astronomical Observatories, China) and Catherine Cesarsky (ESO, Garching, Alemania).

En astronomía, el corrimiento hacia el rojo denota la fracción por la cual las líneas en el espectro de un objeto se trasladan hacia longitudes de onda más largas. El corrimiento hacia el rojo de una galaxia remota proporciona una estimación de su distancia. Las edades y las distancias indicadas en el presente artículo están basadas en una edad del universo estimada en 13.700 millones de años.

Las Galaxias Infrarrojas Luminosas (LIRGs = Luminous InfraRed Galaxies) son un sub-grupo de galaxias cuya luminosidad infrarroja es más de 100.000 millones de veces mayor que la luminosidad de nuestro Sol. Fueron descubiertas inicialmente como una clase por el satélite ISO de ESA, y se cree que son galaxias que están pasando por un período de formación estelar aumentada.

Agradecemos a ImageShack por su repositorio gratuito de imágenes. - HRB

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Web Site: ESO Press Release
Artículo: “Rebuilding Spiral Galaxies ”
Fecha: Enero 13, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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