Una arqueóloga galáctica profundiza en la historia de la Vía Láctea

En el cielo nocturno, la banda de luz de la Vía Láctea hace que nuestra galaxia parezca una veta repleta de estrellas y nubes de gas. Pero hoy, los científicos conocen su forma y estructura en detalle: los brazos espirales que envuelven el centro de la galaxia, su bulbo central repleto de estrellas y un gigantesco agujero negro y su halo de estrellas más tenue y esponjoso más a lo lejos, como si nuestra galaxia estuviera envuelta dentro de una bola de algodón estelar. También saben que una nube aún más difusa de materia oscura se extiende aún más lejos, revelada por los movimientos de las estrellas.

¿Cómo llegó la Vía Láctea a verse de esta manera?

Incluso hace solo una década, los científicos conocían los movimientos y la distancia de solo una pequeña cantidad de estrellas en nuestro vecindario galáctico, por lo que solo tenían una imagen parcial de la estructura en evolución de la Vía Láctea. Pero los telescopios más recientes, incluido el Gaia de la Agencia Espacial Europea que se lanzó en 2013, han abierto drásticamente nuestra vista a la mayor parte de la galaxia. Sus datos revelan grupos lejanos y corrientes de estrellas que, como los fósiles, ofrecen pistas sobre la compleja historia de la galaxia.

Amina Helmi, del Instituto Astronómico Kapteyn en Groningen, Países Bajos, es una arqueóloga galáctica líder que estudia estos restos de eventos pasados, incluido el más trascendental: un impacto masivo en cámara lenta con otra galaxia que ocurrió hace unos 10.000 millones de años, en la juventud de la Vía Láctea.

Escribiendo en el Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Helmi argumenta que el disco, el halo y las tenues corrientes de estrellas de nuestra galaxia son evidencia de esta colisión galáctica y otros eventos de hace mucho tiempo. Sin embargo, a pesar de este pasado tumultuoso, el pasado de la Vía Láctea es comparativamente pacífico, señala Helmi —se formó principalmente a partir del nacimiento de nuevas estrellas a partir del enfriamiento del gas y de estrellas más viejas, en lugar de arrastrando otras galaxias a sus fauces—.

Pero incluso esta historia relativamente tranquila deja muchos restos para que Helmi y sus colegas los examinen, incluidas pistas sobre la composición química de las estrellas, ya que cada generación de estrellas tiene nuevas firmas químicas que se inclinan hacia elementos más pesados que las estrellas que las precedieron.

Helmi habló con Knowable Magazine sobre su investigación acerca de la historia única de la Vía Láctea. Esta conversación ha sido editada para acortarla y por claridad.

¿Qué significa para usted “arqueología galáctica”?

Lo que tratamos de hacer con la arqueología galáctica es tratar de reconstruir la historia, la secuencia de eventos que llevaron a la formación de la Vía Láctea. En arqueología, uno usa los restos, o las sobras, o los artefactos, de diferentes civilizaciones o eventos. En este caso, las sobras son estrellas, así que usamos estrellas para tratar de averiguar cómo se formó la Vía Láctea. Las estrellas recuerdan de dónde vinieron, tienen memoria de sus orígenes.

¿Cómo nos cuentan las estrellas de nuestra galaxia sobre el pasado de la Vía Láctea?

La forma en que se mueven, sus edades y sus composiciones químicas nos dicen sobre dónde nacieron. Si uno encuentra agrupaciones de estrellas con composiciones químicas distintas, por ejemplo, con diferentes cantidades relativas de oxígeno, magnesio y hierro, eso puede indicar que provienen de diferentes entornos, ya que las estrellas nacidas en la misma nube tienen las mismas huellas químicas. De manera similar, si uno encuentra grupos de estrellas moviéndose juntas a través del espacio, eso indica que tienen una trayectoria similar, por lo que provienen del mismo lugar. Uno puede usar eso para reconstruir dónde nacieron.

¿Cómo descubrieron usted y sus colegas que la Vía Láctea tuvo un impacto masivo con otra galaxia cuando era joven? ¿Puede explicar cómo surgió esa evidencia?

Primero, descubrimos que, cerca del Sol, aproximadamente la mitad de las estrellas en lo que llamamos el halo —que alberga estrellas muy antiguas en la Vía Láctea— giraban en la dirección opuesta a la gran mayoría de las estrellas en la Vía Láctea, la otra mitad pertenece a un componente muy hinchado en forma de disco. Entonces, eso era sospechoso. Eso podría significar que el halo se formó por una fusión con otra galaxia. Pero no era suficiente evidencia, porque tal vez hay otras formas de producir este tipo de estrellas.

Luego observamos las edades y la química de esas estrellas del halo que giran en sentido contrario y descubrimos que seguían un camino diferente al de la gran mayoría de las estrellas de la Vía Láctea. La composición química de esas estrellas del halo revela que nacieron en un sistema diferente y más pequeño.

¿Hubo algo sorprendente en ese impacto de hace 10.000 millones de años con una galaxia más pequeña, a la que usted bautizó Gaia-Enceladus?

Las predicciones de los modelos del universo en expansión, basadas en lo que sabemos sobre la gravedad y la materia oscura, dicen que normalmente se esperaría que, entre dos y cuatro fusiones diferentes con objetos relativamente masivos, además de muchos más pequeños, terminen en una galaxia del tamaño actual de la Vía Láctea. Así que para nosotros fue sorprendente encontrar que el halo está dominado por un solo objeto.

Descubrimos que este evento perturbó tanto a la Vía Láctea que muchas de las estrellas presentes en ese momento terminaron en el hinchado o caliente disco grueso. Mis colegas demostraron después que el disco grueso, que contiene aproximadamente una quinta parte de las estrellas de la galaxia, probablemente también se formó en el evento. Eso se debe a que las galaxias en el pasado probablemente eran ricas en gas, por lo que cuando se daba una fusión masiva como esa, se juntaban las nubes de gas, creando regiones de alta densidad que desencadenaban una gran cantidad de formación estelar. Y sí vemos que la formación de estrellas alcanzó su punto máximo al mismo tiempo que la fusión, lo que hizo crecer sustancialmente el disco de la Vía Láctea.

Así que este evento fue un hito importante en la historia galáctica.

¿Cómo se compara la historia de la Vía Láctea con la de sus pares?

Es difícil descifrar estas cosas para otras galaxias más distantes, porque no tenemos tanta información detallada sobre ellas y sus estrellas. Sin embargo, cada vez hay más estudios que buscan corrientes y subestructuras en otras galaxias, y estamos aprendiendo sobre la importancia del proceso de fusión en general. Y hay estudios sobre cuán comunes son los pares de galaxias que interactúan, que identifican objetos que actualmente están fusionándose o están a punto de hacerlo. Los modelos teóricos del crecimiento de las galaxias en el universo en expansión también nos están guiando sobre dónde buscar, o cómo identificar, las pistas de la historia de fusión de una galaxia.

Algunos astrónomos afirman que la Vía Láctea parece estar inactiva en comparación con otras galaxias, ya que los modelos tienden a predecir más fusiones, en promedio, pero creo que es necesaria una evaluación más detallada para establecer esto firmemente.

Eso es particularmente porque solo reconstruimos la historia hasta hace 10.000 millones de años, y no sabemos qué sucedió antes de eso. Necesitamos más datos de muchas más estrellas más débiles — particularmente sus composiciones químicas, la cual se conoce solo de un número muy pequeño de estrellas del halo en la Vía Láctea— para resolver esto.

¿Qué papel ha jugado la materia oscura en su investigación sobre la historia de la Vía Láctea?

Creo que siempre hay que tener en cuenta que hay materia oscura alrededor de estas galaxias, incluso alrededor de la Vía Láctea. Si hay una fusión, la materia oscura hace que la fusión ocurra en una escala de tiempo más rápida, porque hay mucha más masa en la materia oscura que en las estrellas solas.

Por el momento, todavía no hemos utilizado la información que hemos recopilado recientemente sobre la antigua historia de fusión de la Vía Láctea para tratar de estimar cuánta materia oscura hay dentro y alrededor de ella o cómo se distribuye, pero lo haremos en el futuro cercano. Por ejemplo, si uno está convencido de que ciertas estrellas provienen del mismo objeto y están ubicadas en diferentes regiones de la galaxia, eso puede usarse para calcular la atracción gravitacional de la Vía Láctea y la distribución de materia oscura en ella.

¿Qué ha aprendido del telescopio espacial Gaia que no se sabía antes?

Medir los movimientos de las estrellas en el cielo es extremadamente desafiante. Antes de Gaia, teníamos las medidas de unos dos millones de estrellas cercanas, de una misión llamada Hipparcos de los años noventa. Ahora son 2.000 millones. Luego está el volumen: el volumen del espacio en el que podemos medir los movimientos es un factor de 100 veces más grande en radio ahora. Y es un factor de 1.000 veces más preciso. Es una gran cantidad de datos de muy alta calidad.

Ha sido completamente transformador. Esta investigación no hubiera sido posible sin Gaia. Ha cambiado la forma en que entendemos la Vía Láctea. Por ejemplo, también nos hemos dado cuenta de que no podemos considerar la Vía Láctea como un sistema aislado. La gente solía pensar en las galaxias como “universos islas”, separados del entorno que los rodea. Ese es un cambio importante en la forma en que abordamos el problema de determinar la distribución de masa en toda la galaxia. En el pasado, a menudo se suponía que la galaxia estaba en equilibrio y que en realidad no estaba cambiando mucho. Ahora tenemos los datos que nos muestran que eso es una simplificación excesiva, ya que los movimientos de las estrellas cerca del Sol revelan las huellas de la atracción de las galaxias vecinas, que a su vez están siendo atraídas por la Vía Láctea.

¿Qué tipo de herramientas en desarrollo, incluidos los próximos telescopios y nuevas simulaciones, espera con ilusión?

Definitivamente necesitamos química, ya que las cantidades relativas de diferentes elementos químicos en las estrellas nos dicen de dónde son y también ayudan a evaluar su edad. Hay varios sondeos planificados que pronto verán la luz y medirán las abundancias químicas de cientos de miles de estrellas, particularmente en el halo de la Vía Láctea. Estos son espectrógrafos de objetos múltiples que miden la luz de muchos objetos a la vez en muchas longitudes de onda, incluso en rangos en los que emiten átomos clave de varios elementos químicos.

Por ejemplo, hay uno en La Palma en las Islas Canarias, llamado WEAVE, que explorará el cielo del norte, y uno llamado 4MOST en el Observatorio Paranal en Chile que estudiará los cielos del sur. Una vista completa de la Vía Láctea es necesaria si uno quiere entender cómo se formó.

También necesitamos simulaciones de galaxias más sofisticadas que incluyan algo más que la gravedad y la materia oscura. Interpretamos nuestros hallazgos con respecto a Gaia-Enceladus utilizando una simulación de hace 10 años que no incluía ningún gas o formación de estrellas, pero eso no es realista. Necesitamos tratar de entender qué sucede cuando se agrega gas a las simulaciones y se sigue la evolución de la formación de estrellas y también de los elementos químicos, lo que nos dará una imagen más completa y realista de la historia de la galaxia. También debemos tratar de entender si esta gran fusión también ha tenido un impacto en las propiedades de otros componentes de la Vía Láctea, como el bulbo central.

Con base en observaciones y modelos, ¿puede hacer predicciones del futuro de la Vía Láctea en los próximos miles de millones de años?

En unos pocos miles de millones de años, la Vía Láctea se fusionará con las Nubes de Magallanes Grande y Pequeña. Aproximadamente mil millones de años después de eso, la galaxia también se fusionará con Andrómeda. Ese va a ser un cambio importante para la Vía Láctea. Este es un objeto que tiene básicamente la misma masa, y cuando dos galaxias de la misma masa se fusionan, normalmente se forma una galaxia elíptica, una estructura más redonda sin disco ni brazos espirales. Y dado que es probable que ambas galaxias todavía tengan mucho gas, eso conducirá a una gran cantidad de formación estelar. Así que el cielo se verá completamente diferente.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

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