Caza de Fósiles Galácticos

Cuando los astrónomos miran al cielo, también miran hacia atrás en el tiempo. Entonces, cuando los científicos observan una galaxia que está a mil millones de años luz de la Tierra, también están viendo cómo el sistema estelar apareció mil millones de años en el pasado porque la luz de la galaxia tardó mil millones de años en llegar a sus instrumentos. Esto transforma los telescopios en máquinas del tiempo que permiten a los astrónomos explorar la historia cósmica antigua. Sin embargo, a diferencia de los arqueólogos terrestres que estudian rocas antiguas, los astrónomos examinan fósiles hechos de luz primordial.

• Guía para principiantes del Universo LCDM
  ¿ Es posible que las galaxias distantes se alejen de nosotros más rápido que la velocidad de la luz? Vea una imagen precisa del Universo basada en el modelo de Materia Oscura Fría Lambda, el mejor modelo cosmológico actual.
• Fuente: CassiopeiaProject

El origen y la evolución de las galaxias son dos de las áreas más investigadas en astrofísica. Un peso abrumador de evidencia ha convencido a los cosmólogos de que el Universo llegó a existir en un momento definido en el tiempo, hace unos 13,6 mil millones de años, en la forma de una bola de fuego súper caliente y súper densa de radiación energética conocida como el evento Big Bang.
Hoy en día, el modelo Lambda de Materia Oscura Fría (o LCDM) es la última encarnación de nuestra comprensión sobre el origen del Cosmos. Representa una mejora de la teoría del big Bang al postular que la mayor parte de la sustancia física en el Universo consiste en un material llamado materia oscura.
Aunque no puede ser detectada por la instrumentación actual, los cosmólogos creen que la materia oscura está compuesta por partículas frías de movimiento lento que no emiten radiación electromagnética ni dispersan luz, por lo que también aparecen oscuras. Sin embargo, el efecto gravitacional de la materia oscura se puede observar en material visible, como galaxias y observaciones de radiación de fondo.

• Universo primitivo agrupado
  Se pueden ver pequeños halos de materia oscura fusionándose en esta simulación por computadora del Universo primitivo basada en la teoría de la Materia Oscura Fría Lambda. Con el tiempo, las fusiones producen una proto-galaxia.

La Lambda en el nombre de la teoría explica la presencia de energía oscura, una fuerza hipotética que parece estar acelerando la expansión del Universo. La teoría fue publicada originalmente en 1984 por los físicos estadounidenses Joel R. Primack, George Blumenthal y Sandra Moore Faber. Hoy en día, también se hace referencia a él como el modelo cosmológico estándar.

De acuerdo con la teoría de LCDM, el Universo era intensamente caliente, notablemente suave y esencialmente homogéneo inmediatamente después del Big Bang. Sin embargo, pequeñas fluctuaciones en la densidad, menos de una parte de cada cien mil, comenzaron a aparecer y crecer. A medida que el universo se enfriaba, los grupos de materia oscura comenzaron a condensarse y dentro de ellos se formaron moléculas de gas. En este punto, el universo estaba compuesto casi exclusivamente de hidrógeno, helio y materia oscura. Este es el período en el que se emitió la radiación de fondo cósmico de microondas.
El gas y la materia oscura fueron atraídos gravitacionalmente a las áreas de mayor densidad y formaron halos que representaban las semillas de las primeras galaxias. A medida que los halos se hicieron más masivos, comenzaron a colapsar bajo su propio peso y se convirtieron en proto-galaxias. Poco después, el hidrógeno y el gas de helio dentro de los halos comenzaron a formar las primeras estrellas. Luego, con el tiempo, los halos se fusionaron para formar galaxias cada vez más grandes.

• Anillos y arcos no son la única evidencia de una antigua fusión de satélites. Esta animación simula la fusión de numerosas galaxias compañeras y demuestra que las plumas, lanzas, picos y conchas que rodean la galaxia primaria también son posibles.Crédito de animación de modelo
• : James Bullock (UC Irvine)

Las simulaciones por computadora han permitido a los teóricos seguir la evolución de la materia en el Universo desde poco tiempo después del Big Bang hasta hace poco. Estas simulaciones sostienen que la formación de galaxias en presencia de materia oscura fría ocurre jerárquicamente: las primeras galaxias en formarse son pequeñas enanas y posteriormente se fusionan para formar sistemas estelares progresivamente más grandes. Por lo tanto, las galaxias grandes como la Vía Láctea deben haber consumido cien o más galaxias pequeñas enanas a lo largo del tiempo. Sin embargo, muchos de ellos pueden estar tan mezclados con las estrellas de su galaxia madre que ya no son fácilmente identificables.
Fusiones Hechas en el Cielo
La manifestación más espectacular de este proceso puede ser la fusión de galaxias de tamaño comparable en un proceso conocido como fusión mayor. Estos eventos a menudo resultan en la destrucción del patrón espiral en ambas galaxias en fusión. Las grandes fusiones también pueden desencadenar estallidos de estrellas. Tales eventos han sido relativamente raros en los últimos miles de millones de años y solo un pequeño porcentaje de galaxias grandes están involucradas en una fusión importante en curso en cualquier momento.

Sin embargo, se espera que las fusiones menores que implican la interrupción de una galaxia satélite enana por una compañera mucho más masiva sean significativamente más comunes. De acuerdo con el modelo LCDM, las fusiones menores aún deberían ocurrir hoy en día. Dado que el disco estelar de la pareja mayor no se destruye durante una fusión menor, los signos de eventos recientes o en curso deberían ser evidentes alrededor de muchas espirales, el tipo más común de galaxia grande.
Migas de Pan Cósmicas

• Galaxia Enana de Sagitario
  La corriente de marea de Sagitario de la Vía Láctea se puede ver extendiéndose desde el denso “núcleo” de la enana de Sagitario, envolviendo la galaxia y descendiendo a través de la posición del Sol.
• Crédito de animación David Law / Universidad de Virginia

El flujo y reflujo de las mareas se crean cuando la Luna atrae a nuestro planeta y sus océanos de manera diferente. De manera similar, una espiral grande deforma una galaxia satélite en órbita ejerciendo una atracción más fuerte en un lado que en el otro. En el proceso, algunas de las estrellas del satélite se eliminan como un rastro de migas de pan que deja un registro fósil en forma de estructura de marea estelar. Durante su fusión, las estrellas de una galaxia satélite pueden ser arrastradas a largas corrientes, depositadas en vastas conchas de escombros o barridas en enormes estructuras en forma de paraguas que rodean la galaxia madre y permanecen detectables durante varios miles de millones de años como una gigantesca reliquia cósmica.
Se descubrió evidencia de la primera corriente estelar en la Vía Láctea durante los años 90. Conocida como la Elíptica Enana Sagitario, esta pequeña galaxia satélite está orbitando en una trayectoria perpendicular al amplio plano estelar de la Vía Láctea, lo que hace que pase a través de nuestra galaxia. Con cada paso a través del disco, las estrellas se eliminan formando una delgada corriente.
Desde el descubrimiento de la galaxia enana Sagitario, se han identificado más de 15 corrientes estelares en el halo de nuestra galaxia natal y se han descubierto 4 en la galaxia Andrómeda, nuestra vecina galáctica más cercana.
Sin embargo, la evidencia de corrientes de marea más allá del Grupo Local ha sido mayormente anecdótica hasta hace poco.

• Galaxia en una burbuja. NGC3521 se encuentra a unos 35 millones de años luz en la distancia hacia la constelación norte de Leo. Esta nueva imagen profunda muestra múltiples capas de escombros que evidencian fusiones previas con una o más galaxias satélite.Crédito de la foto: R. Jay GaBany Cosmotography.com

Más allá del Grupo Local
Durante los últimos seis años, el Dr. David Martínez-Delgado del Instituto Max Planck de Astronomía ha liderado un equipo internacional de astrónomos profesionales y aficionados que buscan corrientes estelares en torno a ocho espirales cercanas más allá del Grupo Local mediante el análisis de imágenes ultraprofundas producidas con instrumentos comerciales de tamaño modesto. Sus esfuerzos condujeron al descubrimiento de seis extensas estructuras estelares que rodeaban a varias de las galaxias estudiadas. Estas características no detectadas anteriormente se interpretaron como desechos de satélites perturbados por las mareas. Además, su investigación confirmó y aclaró varias características estelares enormes que se habían reportado anteriormente, pero que nunca se interpretaron como evidencia fósil de fusiones menores.

• La Galaxia Paraguas, NGC4651, se encuentra en la constelación de Coma Berenices y está situada a unos 35 millones de años luz de nuestro planeta. Esta nueva vista muestra evidencia de fusiones anteriores con una o más galaxias satélite.
  La capa de escombros estelares aparentemente perforada por una “lanza” estrecha de marea es consistente con las predicciones basadas en el modelo estándar.Crédito de la foto: R. Jay GaBany Cosmotography.com

El conjunto de galaxias exhibió características inesperadas y muy diversas, como grandes rasgos circulares que se asemejan a la corriente de Sagitario de la Vía Láctea, conchas remotas y nubes gigantes de desechos de marea, así como enormes rasgos similares a jet que emergen de los discos galácticos. Junto con los restos de compañeros ya interrumpidos, las observaciones también capturaron satélites sobrevivientes atrapados en el acto de la interrupción de las mareas.
A principios de 2011, se completó una nueva imagen de NGC 3521 que mejora los datos recopilados originalmente para la encuesta. Situado a 35 millones de años luz de nuestro planeta hacia la constelación norte de Leo, este sistema estelar ha sido clasificado clásicamente como galaxia floculenta debido a la enorme cantidad de material que oscurece parcialmente su estructura espiral.
Sin embargo, la nueva imagen ultra profunda revela evidencia de una o más fusiones anteriores con galaxias enanas que dejaron subestructuras discernibles, como una nube casi esférica de escombros visible en su lado oriental y una nube grande y alargada al oeste. Ambos representan conchas de escombros pertenecientes a una estructura similar a un paraguas similar a la que se ve en las imágenes de NGC 4651. Sin embargo, su apariencia más suelta sugiere que se acumularon mucho más en el pasado. Además, la galaxia está envuelta en una burbuja de múltiples conchas de escombros que pueden representar más evidencia de antiguas fusiones.
También se ha demostrado que otras galaxias floculentas tienen restos de corrientes estelares, como NGC 5055 (M63), lo que lleva a algunos a especular que este fenómeno puede estar relacionado con fusiones menores previas.
Una comparación con simulaciones computacionales confirmó la extraordinaria variedad de estructuras detectadas por el equipo Delgado. La existencia de características de marea alrededor de galaxias distantes que parecen ser normales, desde todos los demás aspectos, y su coincidencia con las simulaciones de LCDM constituyeron una nueva evidencia de que el modelo estándar también se aplica a galaxias distantes similares a la Vía Láctea.
Al igual que los arqueólogos cósmicos, los astrónomos excavan luz antigua para descubrir la verdad sobre el nacimiento y desarrollo de las galaxias. Las corrientes estelares, reliquias del proceso de fusión jerárquico predicho por la teoría LCDM, se identificaron por primera vez en la Vía Láctea y otras galaxias del Grupo Local. Ahora, se han visto estructuras similares en galaxias mucho más distantes. Combinadas, estas observaciones apoyan la mejor teoría actual que explica cómo el Universo, y todo lo que hay dentro de él, se originó y evolucionó hasta el día de hoy.
Sin embargo, el libro de conocimiento científico se escribe en hojas sueltas que se revisan, se vuelven a clasificar y, a veces, se eliminan con el tiempo cuando se desentierra nueva información. Por lo tanto, a diferencia de los fósiles enlazados a la tierra, nada cosmológico debe considerarse grabado en piedra porque siempre hay algo nuevo que sale a la luz justo sobre nuestro horizonte.
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