UNIDAD 3: GALAXIAS Definición de Galaxia: Una galaxia es un conjunto de estrellas, nubes de gas, planetas, y polvo cósmico unidos gravitatoriamente. La cantidad de estrellas que forman una galaxia es incontable, desde las galaxias enanas, con 10 7, hasta las galaxias gigantes, con 10 14 estrellas. Formando parte de una galaxia existen subestructuras como las nebulosas, los cúmulos estelares y los sistemas estelares múltiples. Se estima que existen más de cien mil millones de galaxias en el universo observable. La mayoría de las galaxias tienen un diámetro entre cien y cien mil parsecs y están usualmente separadas por distancias del orden de un millón de parsecs. El espacio intergaláctico está compuesto por un tenue gas cuya densidad media no supera un átomo por metro cúbico (o sea un gas con muy poca densidad). FORMACION DE GALAXIAS Actualmente, se piensa que la formación de galaxias procede directamente de las teorías de formación de estructuras, formadas como resultado de las débiles fluctuaciones cuánticas en el despertar del Big Bang. Las simulaciones de N-cuerpos también han podido predecir los tipos de estructuras, las morfologías y la distribución de galaxias que observamos hoy en nuestro Universo actual y, examinando las galaxias distantes, en el Universo primigenio. Las galaxias contienen más de 100.000 billones de estrellas. Después del Big Bang, el universo tuvo un periodo en el que fue muy homogéneo Teorías de formación de Galaxias: Según la primera, las galaxias se formaron por el colapso de vastas nubes de gas y polvo debido a su propia fuerza de gravedad, permitiendo que las estrellas se formaran. Según la otra, que ha ganado mucha aceptación en los últimos años, el universo primitivo contenía muchos pequeños grumos de materia, que se juntaron para formar las galaxias. La teoría más aceptada es que las estructuras que observamos hoy en día se formaron como consecuencia del crecimiento de fluctuaciones primordiales debido a la inestabilidad gravitacional. Las fluctuaciones primigenias causaron que los gases fueran atraídos hacia áreas de material más denso, jerárquicamente se formaron los supercúmulos, las agrupaciones galácticas, las galaxias, los cúmulos estelares y las estrellas. Una consecuencia de este modelo es que la localización de las galaxias indican áreas de alta densidad del Universo primigenio. Así, la distribución de las galaxias está íntimamente relacionada con la física del Universo primigenio. El proceso de formación de galaxias no se ha detenido. Nuestro universo sigue evolucionando. Las galaxias grandes se tragan a las más pequeñas con frecuencia. La Vía Láctea puede contener los restos de varias galaxias más pequeñas que se ha tragado a lo largo de su larga vida. La Vía Láctea está digiriendo ahora, por lo menos, dos galaxias pequeñas, y puede que se haga con otras en los próximos miles de millones de años. Las uniones de galaxias suceden con bastante frecuencia. Una gran parte de las galaxias brillantes que vemos hoy pueden ser el resultado de la unión de dos o más galaxias más pequeñas.
Las galaxias, además, son muy masivas, por lo que su gravedad es muy fuerte. Cuando las colocamos próximas, la atracción puede ser tan fuerte como para que dos galaxias se acoplen y no se suelten. Terminarán juntándose, formando una sola. Las uniones pueden tardar en completarse desde unos cientos de millones de años a unos miles de millones. Pueden desencadenar intensas erupciones de formación de estrellas, incluso crear gigantescos agujeros negros. TIPOS DE GALAXIAS SEGÚN LA SECUENCUA DE HUBBLE Galaxias espirales: La primera teoría moderna de la formación de nuestra galaxia (conocida por los astrónomos como ELS) describe un colapso monolítico simplemente rápido, primero formándose el halo, seguido del disco. Disco Halo Otra teoría publicada en 1978 (conocida como SZ) describe un proceso más gradual, primero con el colapso de pequeñas unidades que se combinan para formar componentes mayores. Una idea más reciente es que una porción significativa del halo estelar podría provenir de los restos estelares de galaxias enanas destruidas y cúmulos globulares que orbitaron alguna vez la Vía Láctea. El halo entonces sería un componente "nuevo" hecho de partes "recicladas". Después del descubrimiento en 1994 de que nuestra propia Vía Láctea tiene una galaxia satélite (la Galaxia Enana Elíptica de Sagitario o SagDEG) que está actualmente siendo disgregada y "comida" por la Vía Láctea, se piensa que este tipo de eventos pueden ser muy comunes en la evolución de las galaxias grandes. Las Nubes de Magallanes son galaxias satélites de la Vía Láctea que casi seguramente compartirán el mismo destino que el SagDEG. La idea de una galaxia absorbedora con un gran número de galaxias satélite podría explicar por qué la galaxia M31 (la Galaxia de Andrómeda) parece tener un núcleo doble. Una galaxia espiral se caracteriza por las siguientes propiedades físicas: Tiene un disco plano giratorio compuesto de estrellas y materia interestelar que suelen ser de nueva creación. El bulbo es similar a una galaxia elíptica, conteniendo numerosas estrellas antiguas, llamadas de Población II y con baja metalicidad, y normalmente un agujero negro supermasivo en el centro.
Resumiendo, las galaxias espirales están compuestas por una formación central de estrellas denominada bulbo que está rodeada por un disco plano formado por materia interestelar, gas y polvo, estrellas jóvenes y cúmulos abiertos. En el halo de estas galaxias se encuentran los cúmulos globulares compuestos por estrellas viejas. Los bulbos de estas galaxias se asemejan a una galaxia elíptica en apariencia y propiedades, y además, en la mayoría de los casos poseen un agujero negro en su centro. Las galaxias espirales se dividen en dos tipos: galaxias lenticulares y galaxias espirales barradas. Una galaxia lenticular es un tipo de galaxia intermedia entre una galaxia elíptica y una galaxia espiral. Tienen forma de disco y han consumido la mayor parte de su materia interestelar. Carecen de brazos espirales. Estas galaxias suelen abundar en los cúmulos de galaxias ricos, en detrimento de las galaxias espirales, ya que al parecer en su origen eran galaxias espirales que perdieron su materia interestelar debido a las interacciones gravitatorias con otras galaxias del cúmulo. Una galaxia espiral barrada es una galaxia que posee en su núcleo una barra central de estrellas que abarca de un lado al otro de la galaxia. Las barras son relativamente comunes en las galaxias y afectan al movimiento de las estrellas, del gas interestelar, e incluso de los brazos espirales. Estimaciones actuales indican que hasta dos tercios de las galaxias espirales poseen una barra. Hubble clasificó a su vez a las galaxias espirales barradas en tres categorías teniendo en cuenta la apertura de los brazos espirales. Las de tipo SBa tienen los brazos fuertemente unidos y una gran protuberancia central.
Las galaxias de tipo SBb son intermedias entre las SBa y las SBc, las cuales tienen los brazos muy sueltos. Y finalmente, las SBd tienen los brazos aún más separados que los anteriores tipos, con un núcleo casi inexistente. Un quinto tipo, SBm, se creó posteriormente para describir una galaxia espiral irregular, como las Nubes de Magallanes, que inicialmente fueron clasificadas como galaxias irregulares pero donde luego, se encontraron estructuras de espirales barradas. Las teorías actuales estiman que las barras son fenómenos temporales en este tipo de galaxias. La estructura de la barra degenerará con el tiempo pasando la galaxia a tener una forma de espiral barrada a una forma de espiral regular. Lo que sí se conoce con certeza, gracias a los datos aportados por diversos instrumentos ópticos en diferentes longitudes de onda, es que las barras son zonas que impulsan la formación estelar en el interior de las galaxias que las albergan, canalizando el gas interestelar desde los brazos espirales hasta el interior de la estructura generando con ello un pseudobulbo. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es una espiral barrada con un agujero negro en su núcleo. Galaxias elípticas: Una galaxia elíptica es un tipo de galaxia de la secuencia de Hubble caracterizada por tener una forma aproximadamente elipsoidal y apenas rasgos distintivos, careciendo por ejemplo de los brazos espirales que caracterizan a las galaxias homónimas. Representan el 15% de las galaxias del universo, y sólo contiene estrellas viejas.
Estas galaxias tienen forma de elipse y se denominan entre E0 y E7 dependiendo del grado en el que la elipse está ovalada. De hecho, si este número se multiplica por 10, obtenemos el valor de la excentricidad de la galaxia. Es decir, las galaxias E0, tienen una excentricidad nula, lo que significa que son esféricas. Las galaxias elípticas varían mucho en luminosidad, masa y tamaño, yendo desde las pequeñas enanas esferoidales, de características parecidas a las de un cúmulo globular -pero muy ricas en materia oscura- ó las galaxias elípticas enanas, hasta las grandes galaxias elípticas presentes en grandes cúmulos de galaxias (por ejemplo, las galaxias de tipos D y cd, caracterizadas por estar envueltas por un gran halo difuso, tipo al cual pertenece la M87, el prototipo de galaxia elíptica gigante) entre las cuales se hallan las mayores y más brillantes galaxias del Universo. Sus características comunes son: Ausencia ó insignificante momento angular. Ausencia ó insignificante cantidad de materia interestelar (gas y polvo), sin estrellas jóvenes, ausencia de cúmulos abiertos (salvo excepciones puntuales cómo NGC 1275). Compuestas sobre todo por estrellas antiguas, llamadas población II. Físicamente también se pueden dividir en dos tipos: las "cuadradas" que suelen ser galaxias grandes, cuya forma es determinada por movimientos aleatorios de sus estrellas, pero que son mayores en algunas direcciones que en otras-, y las "discoidales", a menudo de luminosidad media ó baja, en las que las estrellas suelen tener velocidades similares, pero que están relativamente aplanadas debido a la rotación de la galaxia; otras diferencias entre ambos tipos son: Concentración de luz central: En las "cuadradas" existe una falta de concentración de luz en su centro mientras que las "discoidales" tienen más concentración de luz allí. Poblaciones estelares: Mientras que las primeras están compuestas de estrellas viejas con mayor riqueza en elementos pesados, en las segundas hay poco ó ningún enriquecimiento de tales elementos y sus estrellas son más jóvenes (no mucho más). Fuentes de ondas de radio: Las galaxias elípticas "cuadradas" contienen a veces fuentes que producen fuertes emisiones de ondas de radio; en las discoidales ésto es mucho más raro. Medio interestelar: las primeras suelen tener gas caliente que puede detectarse gracias a su emisión de rayos X, sobre todo en las más grandes; en las segundas es mucho más raro que haya dicho gas. Las galaxias elípticas gigantes probablemente se formaron por fusiones a una escala mayor. En el Grupo Local, la Vía Láctea y M31 (la Galaxia de Andrómeda) están gravitacionalmente ligadas y actualmente se aproximan la una a la otra a gran velocidad. Como es muy difícil determinar la velocidad perpendicular de M31 respecto a nosotros, no sabemos a ciencia cierta si colisionará con la Vía Láctea. Si las dos galaxias se encuentran, pasarán una a través de la otra y la gravedad deformará ambas galaxias severamente expulsando gas, polvo y estrellas al espacio intergaláctico. Viajarán por separado, disminuyendo la velocidad y entonces, serán arrastradas la una hacia la otra y colisionarán otra vez. Finalmente ambas galaxias se habrán combinado completamente y las corrientes de gas y polvo estarán volando a través del espacio cerca de la recientemente formada galaxia elíptica gigante. Además, a partir del gas expulsado en la combinación, se pueden formar nuevos cúmulos globulares e incluso nuevas galaxias enanas que se conviertan en parte del halo de la elíptica. Los cúmulos globulares de la Vía Láctea y de M31 también formarán parte del halo. Los cúmulos globulares están tan ligados gravitacionalmente que son enormemente inmunes a las interacciones galácticas a gran escala. Si alguien está alrededor para observar la combinación, será un suceso lento pero magnífico. Se podrá ver una M31
distorsionada que se extiende espectacularmente por todo el cielo. De hecho, M31 ya está distorsionada: los bordes están combados. Esto es probablemente debido a interacciones con sus propias galaxias compañeras, así como por posibles fusiones con galaxias enanas esferoidales en el pasado reciente - los restos de los cuales siguen visibles en las poblaciones de disco. Galaxias irregulares: Son todas aquellas galaxias que no encajan en las categorías anteriores. Hay dos tipos de galaxias irregulares. Una galaxia Irr-I es una galaxia irregular que muestra alguna estructura pero no la suficiente como para encuadrarla claramente en la clasificación de las secuencia de Hubble. Una galaxia Irr-II es una galaxia irregular que no muestra ninguna estructura que pueda encuadrarla en la secuencia de Hubble. Algunas galaxias irregulares son pequeñas galaxias espirales distorsionadas por la gravedad de un vecino mucho mayor. Apenas un 5% de las galaxias brillantes reciben el nombre de galaxia irregular.
A continuación se presenta una imagen a modo de resumen: Galaxias enanas: Una galaxia enana es una galaxia compuesta por varios miles de millones de estrellas. Esta cifra puede parecer enorme, pero en términos astronómicos es muy pequeña. Nuestra galaxia, por ejemplo, tiene entre 200 y 400 mil millones de estrellas. Estas galaxias son las más comunes del Universo y frecuentemente orbitan alrededor de galaxias mayores. Se han identificado 14 galaxias enanas orbitando a la Vía Láctea. En cuanto a su estructura, las podemos encontrar también elípticas, espirales o irregulares.