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El Origen de las Galaxias

Lo que necesitan los astrónomos es una cigüeña cósmica. Como niños curiosos, se han estado preguntando durante décadas, "¿De dónde vienen las galaxias?", y como en el cuento de la cigüeña que los padres suelen usar para

En un sentido general, se comprende el origen de las galaxias. Pero como en tantas otras preguntas en la ciencia, esta cumple bien el dicho, "Dios está en los detalles". Descubrir estos detalles es extremadamente complejo – y extremadamente importante para los astrónomos.

"Las galaxias son los ladrillos del Universo, y por esto una de las grandes preguntas de la astronomía es comprender cómo se formaron", dice el astrónomo Sandy Faber del Observatorio Lick de California.

Gracias a algunos grandes avances teóricos en las últimas dos décadas, ha sido posible para Faber y sus colegas contestar esta pregunta – al menos, a grandes rasgos.

Los astrónomos creen que la galaxia ESO 510-G13 se encuentra en plena colisión con otra galaxia. Las distorsiones gravitatorias están doblando los brazos de la espiral y causando el estallido para la formación de nuevas estrellas. Pulse aquí para agrandar.

Uno de los grandes avances llegó a principios de los 80, cuando los cosmólogos teorizaron sobre el llamado universo inflacionario. Durante los primeros instantes tras el Big Bang, dice la teoría, el recién nacido Universo vivió un episodio de expansión extremadamente rápida, llamado inflación. Los astrónomos creen que la inflación cambió radicalmente el panorama del cosmos bebé. Antes de la inflación, la densidad del Universo era uniforme, como la superficie de un lago en un día sin viento. Tras la inflación, la densidad era irregular, con rizos y olas como una tormenta en el mar.

Otro ingrediente del joven Universo, la materia oscura, ayudó a amplificar estas irregularidades en cúmulos y grumos más pronunciados. Estas variaciones de densidad aún son visibles hoy día como fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), el "eco" del Big Bang que es la primera radiación que los astrónomos pueden ver.

La materia oscura, una misteriosa forma de la materia distinta de los átomos comunes y partículas subatómicas, se generaron casi inmediatamente después del Big Bang, mucho antes de que se formase la materia común. La materia oscura actúa como “semillas” gravitatorias para el crecimiento de las variaciones de densidad.

Debido a que estas áreas de mayor densidad tenían una gravedad más fuerte que las de alrededor, atraían más materia, y finalmente, crecieron hasta convertirse en las semillas de las galaxias. (Hoy día, las galaxias están rodeadas de halos de materia oscura, los cuales se piensa que son diez veces mayores y más masivos que la parte visibles de las galaxias).

Esta teoría básica, que Faber ayudó a crear, se ha mantenido extraordinariamente bien, dice "No creo que nada de lo que dijimos en eI artículo se haya probado que no sea cierto".

La proto-galaxia encontrada gracias al efecto de lente gravitacional del racimo de galaxias Abell 2218 comenzó a arder mil millones de años tras el Big Bang. Vea en la imagen los dos puntos rojos, pequeñas galaxias que son los ladrillos del Universo actual.

Aunque no ha sido probada, la teoría ha tenido más comprobaciones durante los últimos años cuando los astrónomos han podido contemplar un gran número de galaxias en lugares cada vez más remotos del espacio. El astrónomo de Caltech Richard Ellis dice, "existe una concordancia espectacular entre la teoría y las observaciones”. Haz una simulación por ordenador que empiece con las fluctuaciones de densidad observadas en el CMB y que “inventó” las galaxias, dice Ellis, y terminarás con una imagen que muestra una similitud extraordinaria con los mapas generados en las nuevas observaciones de galaxias.

"No creo que sea casualidad que exista esta concordancia", dice Ellis. "Esto demuestra que tenemos una muy buena comprensión de cómo crecen las estructuras".

Al mismo tiempo, dice Ellis, muchas preguntas básicas se mantienen sin respuesta, y una de las principales es por qué hay tantos tipos de galaxias distintos. "¿Por qué algunas tienen brazos en espiral y otras no?", pregunta Ellis. "¿Por qué tienen distintos colores?, ¿Por qué hay tanta gama de tamaños?".

La respuesta está ahí fuera, pero buscarla significa tratar de ver las profundidades del espacio – y volver atrás en el tiempo – para hacer observaciones más detalladas de las galaxias a través de la historia del cosmos. Tal y como dice Ellis, "Si preguntas, ¿Cuándo se formaron las galaxias?. Es un proceso muy continuo, básicamente abarca todo el tiempo de vida del Universo".

Por último, Ellis y sus colegas usaron el Telescopio Espacial Hubble, junto al telescopio gigante de Keck en Hawaii, y fueron capaces de ver prácticamente el principio del proceso. Descubrieron un cúmulo de estrellas a más de 13.000 millones de años luz de la Tierra que se formó poco menos de mil millones de años tras el Big Bang. (Incluso con la enorme potencia de estos telescopios, el cúmulo no podría haber sido detectado sin la ayuda de un grupo de galaxias intermedio; el halo de materia oscura de las galaxias, actuó como una lente gravitacional, aumentando el brillo del distante cúmulo más de 30 veces).

Conteniendo solo un millón de estrellas, el cúmulo, el cual tiene solo un veinteavo del tamaño de nuestra Vía Láctea, puede representar uno de los ladrillos galácticos originales.

Más cercano a la Tierra en el espacio y el tiempo, aproximadamente 2.000 millones de años tras el Big Bang, los astrónomos ven protogalaxias. Estos son objetos compactos (aunque mayores que los dudosos ladrillos) que forman nuevas estrellas a un gran ritmo y que parecen representar una etapa intermedia en la formación galáctica.

Entre 4 y 5 mil millones de años tras el Big Bang – esto es, 8 o 9 mil millones de años desde hoy día – aparecieron las primeras galaxias maduras. Estas aparecen en las mismas variedades que los astrónomos las ven hoy día en el Universo cercano: las galaxias espirales, con sus clásicas formas en torbellino; las galaxias elípticas, similares a un balón de fútbol americano – o enjambres de estrellas con forma de balón de baloncesto; y las galaxias irregulares, desordenadas y desiguales.

Un observatorio italiano ha abordado el problema de probar los últimos límites del Universo para las galaxias y sumarse al esplendor mostrado en los últimos años por los telescopios espaciales Hubble y Chandra.

Pero como explica Ellis, "había muchas más galaxias del tipo irregular de las que vemos hoy día. Por esto aunque podemos encontrar objetos que nos parecen familiares, la mezcla de ellos no es familiar".

E incluso más importante, el número total de galaxias en este momento parece ser mucho mayor que hoy día – entre 3 y 10 diez veces mayor.

Una de las preguntas más urgentes es: ¿Cómo este rebosante número de galaxias fue cribado a la población que los astrónomos ven actualmente en el universo cercano?. ¿Colisionaron para formar mayores galaxias, o simplemente se apagaron lentamente?.

"El problema es que no podemos observar la evolución de un objeto individual", explica Ellis. "Todo lo que podemos hacer es unir las piezas de galaxias vistas en distintas épocas". Esto es similar a mirar un tanque lleno de ranas y renacuajos, sin ser capaces de ver cómo se transforman unos en otros.

Por ejemplo, los astrónomos han debatido durante mucho tiempo el origen de las galaxias elípticas, y si podrían tener alguna relación con las galaxias espirales. Durante un tiempo, dice Ellis, los astrónomos pensaron que las espirales y las elípticas eran dos especies completamente distintas que evolucionaban de forma independiente.

"Parece inconcebible que una galaxia espiral pueda metamorfosearse en una elíptica", dice Ellis. "Pero actualmente pensamos que hay ocasiones en las que esto sucede en realidad". Algunas elípticas pueden formarse tras la colisión de dos espirales. Y algunas, dice Ellis, pueden haber comenzado como elípticas y mantenerse así.

Y una de las “bestias” más misteriosas de la reserva de animales cósmica, el agujero negro también aparece como una de las mayores preguntas sobre las galaxias. Muchos astrónomos han sugerido que los agujeros negros pueden jugar un papel crucial en el inicio de la formación de las galaxias arrastrando materia en torno a él con sus poderosos campos gravitatorios.

Esto, ciertamente, parece ser correcto para los quasar, brillantes faros del joven Universo pensando ser jóvenes galaxias. El intenso brillo del quasar se piensa que es el resultado de la caída de material en un agujero negro supermasivo en el centro del quasar.

Pero los quasar han resultado ser bastante extraños comparados con otras protogalaxias vistas durante la misma época de la historia cósmica, y no está nada claro cómo encajar los quasar en el esquema de la evolución galáctica. "La cuestión", dice Ellis, "es si los quasar son un fenómeno insólito, y por tanto, ¿dónde deberíamos colocarlos?. ¿O deberíamos unirlos [con las otras protogalaxias] en algún tipo de ciclo evolucionario cósmico?".

En cuanto a la cuestión de cómo contribuyen los agujeros negros a la formación de galaxias, Sandy Faber señala que aún hay algunas difíciles preguntas por contestar acerca de la física de los mismos agujeros negros. "Antes me preocuparía por los agujeros negros y su relación con las galaxias", dice Faber, "la pregunta principal, y creo que la mayor parte de la gente estará de acuerdo, es cómo conseguir que la materia caiga en el agujero".

Ellis añade "La cuestión no es lo que sucede. La pregunta es con qué frecuencia: ¿Es una parte fundamental de la formación de galaxias, o es algo colateral?".

Con una nueva generación de telescopios gigantes planificados para su uso en el espacio y la Tierra, los astrónomos pueden verse al borde de algunas de estas cuestiones. "Es un tema con una gran riqueza de datos actualmente", dice Ellis, "y se vuelve cada vez más emocionante".

Autor: Andrew Chaikin
Traductor: Manuel Hermán
Sitio Web: Space.com

Grandes Misterios de la Astronomía (Parte I)

Grandes Misterios de la Astronomía (Parte II)

Artículo Original: http://www.space.com/scienceastronomy/astronomy/cosmic_galaxies_020122-1.html