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Colisión de dos galaxias espirales. T.E. Hubble |
Guía Astronómica Gonzalo Duque-Escobar, P. As.
Universidad Nacional de Colombia Manizales, 1992 |
GUIA Nº 10
LAS GALAXIAS
1.
GALAXIA
Isla
de estrellas inmersaa en nubes de gas y polvo; en su
interior, las estrellas se organizan en cúmulos que han nacido de una misma
nube de gas y polvo. Dichas estrellas, aunque congénitas, pueden estar unidas
por la gravedad, o bien, pueden estar alejándose lentamente unas de otras. En
el primer caso, se trata de cúmulos globulares o cerrados, donde el
grupo tiene forma esférica, y está constituido por con cientos o miles de
estrellas viejas o de la población II, en el segundo caso, por regla general,
se tienen cúmulos galácticos o abiertos, denominados así por su forma
irregular dada la dispersión de las
estrellas, cuyo número de miembros es de algunos cientos de estrellas de la
población I. Distinguimos en la galaxia su núcleo, su halo y su plano medio con
brazos espiralizados.
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Figura
45. Imágenes del cúmulo estelar abierto de las Pléyades (izq) y del cúmulo estelar cerrado Tucanae (der).
Fuente, cien mil millones de soles. Rudolf Kippwenhahn.
1.1
Poblaciones estelares
Son
dos diferentes grupos de estrellas. En la población I entran las
estrellas de formación reciente como el Sol, que se encuentran en los brazos
espirales de las galaxias; estas estrellas tienen elementos más pesados o
metálicos. En la población II entran estrellas viejas, a veces contemporáneas con la formación de la
galaxia, que se encuentran o en su núcleo galáctico o en los cúmulos globulares
del halo. En la población II las estrellas casi no contienen elementos
pesados, son de primera generación, con escaso contenido metálico pero ricas en
hidrógeno.
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Figura
46. Perfil de la Vía Láctea con la posición relativa del Sol y las dos Nubes de
Magallanes. En detalle los cúmulos estelares abiertos y cerrados típicos de
esta galaxia.
Las
poblaciones pueden dividirse así:
1.
Población I extrema (estrellas O y B, estrellas δ Cephei, cúmulos
abiertos).
2.
Población I más vieja (estrellas A, gigantes normales, estrellas con fuertes
rayas metálicas).
4.
Población II intermedia (estrellas Mira de período corto, estrellas con
velocidades superiores a los 30 km/s, perpendiculares al plano galáctico).
5.
Población II del halo (estrellas en cúmulos globulares, estrellas Rr Lyrae,
subenanas).
Al
observar nuestra galaxia, podemos identificar algunas estructuras, como el
halo, el núcleo, el plano medio galáctico y el eje de rotación del sistema y el
disco galáctico.
El
halo es el volumen redondeado de la galaxia formado por
cúmulos cerrados con órbitas poco circulares y muy inclinadas respecto al plano
medio de la galaxia. La región es pobre en gas y polvo y las estrellas
orbitan a gran velocidad. El disco es el contorno de los brazos
espirales localizados en el plano medio, donde las estrellas son jóvenes y se
encuentran sumergidas en medio de gas y polvo. Las estrellas aquí, en cúmulos
galácticos generalmente, están orbitando con trayectorias muy circulares y
siempre perpendiculares al eje de rotación de la galaxia. Por lo tanto, si las
estrellas del halo no comparten la rotación galáctica, las del disco si la
comparten. La rotación galáctica es diferencial. Los objetos del centro son
rápidos y los del disco lentos. El Sol podría pasar de un brazo a otro,
mientras transita la galaxia con órbita casi circular.
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Figura
47. La Vía Láctea con las Nubes de Magallanes y el Sol sobre el brazo de Orión.
Se muestra la rotación galáctica.
Según
J.P. Hubble, la clasificación de las galaxias es la del diagrama siguiente. Con
E se codifican las elípticas, con SO las lenticulares, con S las espirales, con
SB las barradas y con Ir las irregulares.
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Figura
48. Sistema de clasificación de las galaxias. La frecuencia de las elípticas es
15%, de las lenticulares 6%, de las espirales 76% y de las irregulares 3%.
Se
ha propuesto un esquema evolutivo de las galaxias sugiriendo que ellas
empiezan sus vidas como estructuras esféricas que paulatinamente se van
achatando, al contraerse gravitacional mente, haciéndose elípticas y aumentando
su velocidad rotacional. A su vez, las elípticas evolucionarán a espirales
normales o barradas, mientras los núcleos van perdiendo importancia volumétrica
y los brazos se van desarrollando. Las irregulares, en éste esquema, son las
galaxias más jóvenes que acabarían, como quiera que nunca muestran estructura
espiral o elipsoidal definida y que son agregados de polvo, gas y estrellas distribuidas
aleatoria mente, siendo el resultado final de la evolución galáctica.
Pero
la dificultad de esta teoría, en la cual las galaxias esféricas se
transforman en elípticas, y estas en espirales, aparece cuando las
observaciones señalan que las galaxias esféricas son tan lentas en su rotación,
que difícilmente se achatarían; aún más, las elípticas no pueden desarrollar
brazos espirales mientras de rotación no sea diferencial en un grado mínimo, ni
pueden generar espirales teniendo más masa que estas.
Un
importante interrogante surge sobre la relación de las galaxias con los
quasares. ¿Son los segundos, acaso, la fase inicial de las galaxias?. Se sabe
que los núcleos galácticos son muy activos y que esta actividad varía entre
unas y otras galaxias, posiblemente reduciéndose su intensidad con el tiempo.
Los cuásares, son estructuras que muestran el estado de la materia a gran
escala, en épocas vecinas al origen del Universo.
Inicialmente
se da el colapso de una nube de polvo y gas cuando su densidad supere el valor
crítico que permita el colapso gravitacional. La
acreción será discreta formándose estrellas en cúmulos aislados. Nace así la
galaxia irregular rica en polvo y gas y en estrellas de la población I. Por el
giro no rígido de la galaxia, empieza a espiralizarse y se consolidan su núcleo
y su halo, pudiendo ser espiral normal S o espiral Barrada SB.
Con
el tiempo, los brazos se enroscan más pasando la galaxia de Sc
hasta Sa o de Sbc
hasta SBa (1/3 de las galaxias espirales
son barradas). Se puede presumir que la forma
lenticular de la galaxia en este momento, se debe al hecho de que el polvo y el
gas se estabilizan en el plano medio, y no lejos de éste, porque la fuerza
centrífuga es escasa cerca del eje de rotación.
Existirá
una tendencia en las estrellas de las espirales a pasar al núcleo transformando
la galaxia en el tipo SO, que muestre poco gas y polvo y núcleo más brillante,
quedando relativamente pocas estrellas de la población I. La fase siguiente de
la galaxia, es transformarse en Elíptica; (inicialmente tipo E7 muy achatada y
por último EO muy esférica). En el último estadio la
galaxia a perdido polvo, las estrellas son de la población II, su densidad ha
aumentado y también su velocidad de rotación.
La
dificultad de esta teoría evolutiva está en que no hay
ningún mecanismo que pueda transformar ninguna estructura aplanada, como el
núcleo de una galaxia espiral, en estructura esférica, y ni siquiera
elipsoidal. Recuérdese además que las masas de las elípticas son más grandes
que las de las espirales, sin que haya manera alguna de que una espiral llegue
a completar la masa de una elíptica.
Oort
propuso un esquema evolutiivo en el que las elípticas forman una
secuencia evolutiva y las espirales otra, sin ningún cruce. Según la teoría, la
nebulosa intergaláctica inicial que dará vida a la nueva galaxia, tomará uno u
otro destino, dependiendo de la cantidad de gas y polvo y de la cantidad de
movimiento del sistema. Las que tengan deficiencia en una u otra cosa, o en
ambas, llegarán a ser finalmente galaxias elípticas.
1.2
Cúmulos de galaxias y supercúmulos de galaxias
Los
primeros se denominan también hipergalaxias. Las galaxias se organizan en
colonias desde docenas hasta miles en cada una. Los segundos (Metagalaxias) son
cúmulos de cúmulos, los cuales se distribuyen uniformemente en el espacio.
Algunos
cúmulos galácticos (nombres dados por la región), son:
Virgo, a 36
a. l., con 2500 objetos, alejándose a
1150 K/s
Pegaso
I a 130 a. l., con 100 objetos, alejándose a 3800 K/s
Piscis a 130
a. l., con 100 objetos, alejándose
a 5000 K/s
Cáncer a 160
a. l., con 150 objetos, alejándose
a 4800 K/s
Perseo a 175
a. l., con 500 objetos, alejándose
a 5400 K/s
Gemini a 570
a. l., con 200 objetos, alejándose a
23300 K/s
Bootes a 1240 a. l., con 150 objetos, alejándose a 39400 K/s
1.3
Vía Láctea
Es
nuestra galaxia con 100 mil millones de estrellas. El diámetro es de 100 mil
años luz, el espesor de 20 mil años luz y estamos sobre el plano galáctico, a
30 mil años luz del centro. La galaxia muestra por lo menos tres brazos así: el
de Sagitario a 24 mil años luz del centro galáctico, el de Orión (conteniendo
el Sol) a 30 mil años luz del centro galáctico y el de Perseo a 36 mil años
luz.
El
Sol órbita la galaxia a 250 km/seg y tarda unos 200
millones de años en completar su órbita. Por el giro no rígido de la galaxia,
para tener un sistema de referencias, el patrón local de reposo se definió como
el volumen de espacio hasta 100 parsec contados desde el Sol en el que las
velocidades se han promediado a cero. Las condiciones propicias para la vida en
la galaxia suponen un cinturón en el plano medio de nuestra galaxia: lejos de
su núcleo activo para escapar a la radiación, pero antes de alcanzar la
periferia, donde faltan los elementos pesados y sólo abundan H y He.
Las
dos nubes de Magallanes son satélites de la Vía
Láctea a modo de un sistema planetario; la mayor de las nubes a 160 mil años
luz tiene 10000 millones de estrellas y un diámetro de 35 mil años luz; y la
menor a 190 mil años luz tiene 1000 millones de estrellas y un diámetro de 20
mil años luz. Ambas son tipo irregular mientras la Vía Láctea es del tipo Sb.
1.4
El grupo local y el súper grupo local
El
grupo local (nuestra hipergalaxia) lo conforman unas 30 galaxias siendo las más
importantes la nuestra y la de Andrómeda (que en estrellas supera en 1.5 veces
a la Vía Láctea); ambas separadas 2re los extremos tema. En este cúmulo
reducido tenemos también M 32 (compañera de Andrómeda), M 33 (Nebulosa del
Triángulo), And I, And II, And III (también compañeros de Andrómeda), Leo I,
Leo II (ambos a 750 mil años luz), las del catálogo NGC de números 6822 (tipo
Ir), 185 (tipo E0), 205 (tipo E6) y 147 (tipo E4), la IC 1613 (galaxia Ir de
10000 a. l. de diámetro), la Carina, la Formax, la Draco y Sculptor. Todo el
cúmulo de galaxias en un volumen con un radio próximo a los 2.5 millones de
años luz.
Pero
el grupo local pertenece al súper grupo local (metagalaxias) cuyo centro
es Virgo a 50 millones de años luz de nosotros y compuesto por miles de
galaxias ligadas gravitacional mente en estructuras hipergalácticas. Entre sus
muchos miembros (50? cúmulos) diseminados en un volumen de unos 75 millones de
años luz, se destacan Osa Mayor, Canes Venatici, Sculptor, grupo local, M 66, M
101, M 81, los NGC 4274, 3245, 5566, etc.
No
obstante hay otros supercúmulos con cúmulos tan destacados como Boyero el más
lejano fotografiado, distante unos 5 mil millones de años luz y quien se aleja a la mitad de la velocidad
de la luz, o el de Cabellera con unos 1000 miembros brillantes a 400 años luz
ubicado, como su nombre lo indica, en la constelación Cabellera de Berenice.
2.
TIPOS DE GALAXIAS
Los
objetos BSO: Galaxiaas que semejan estrellas azules, pero
con enormes cambios al rojo. Son semejantes a los cuásares en distancia,
luminosidad y tamaño pero no emiten radio ondas. Por ser más numerosos se
supone que viven más tiempo que los Cuásares.
Galaxias
N: sistemas muy distantes, de pequeño núcleo muy
brillante; supuestamente son elípticas, también se relacionan con los Cuásares.
Galaxia
Makariana: aquella que desprende mucha radiación
ultravioleta, muchas de ellas son tipo Seyfert.
Objeto
BL-Lagarto: objeto rrelacionado con Cuásares pero más
cercano (poco desplazamiento al rojo) y similar a una estrella pero cambia con
rapidez de brillo. Se supone que es galaxia elíptica de núcleo muy brillante y
además radiofuente. Se supone sea una galaxia en explosión.
Galaxia
Infrarroja: galaxia con
emisión anómala (intensa y en detrimento del azul). El desequilibrio supone el
efecto Maser de amplificación de microondas (funciona como el láser) y se cree
que la extraordinaria regeneración de estrellas (varias veces al año) excita el
polvo y gas galáctico a velocidades de 1600 km/seg produciéndose el efecto
megamaser. Los gases almacenan energía alcanzando niveles de equilibrio
inestables, posteriormente el efecto pasa y los niveles energéticos caen
liberándose la energía acumulada.
Nota:
En
el núcleo de la Vía Láctea se supone un agujero negro, en un torbellino de gas
con un radio de 2500 millones de kilómetros. El torbellino rota a 750 km/seg y
por la radiación que produce en la región (Sagitario-A), se estima temperaturas
de 100 millones de °K y una densidad aproximada de 3 millones de
masas solares, en un radio entre 5.7 y 14 billones de kilómetros. Cosa similar
existiría en las galaxias M 32 y M 87.
3.
DISTANCIA A LOS SISTEMAS ESTELARES
Para
conocer la distancia a las estrellas cercanas, aplicamos métodos de
triangulación, como la medida de la paralaje estelar, donde se utiliza
el semidiámetro de la órbita terrestre como base de observación. Este método
tiene un alcance hasta 100 parsec.
Supongamos
una estrella cercana. Al observarla desde los extremos de un diámetro de la
órbita de la Tierra (observaciones separadas seis meses), la imagen de la
estrella aparecerá proyectada sobre la bóveda celeste en dos puntos distintos
(A y B). Como el diámetro de la Tierra se conoce, el triángulo que hacen las
visuales, cuya base mide dos U. A., tiene solución.
Si
el arco AB midiera dos segundos, el ángulo alfa, media de AB, valdría un
segundo de arco, y la distancia del Sol a la estrella mediría un parsec,
equivalente a 3,26 años luz. El ángulo alfa se denomina la paralaje de la
estrella.
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Figura
49. La paralaje de una estrella.
Otras
estrellas variables pulsantes, si tienen períodos de oscilación en el
brillo, permiten el cálculo de distancias mayores (que es la misma para todo el
cúmulo estelar al cual pertenecen). Este método sirvió
para determinar la distancia a la galaxia Andrómeda, que inicialmente se estimó
en un millón de años luz y que, posteriormente, cuando se advierte la
diferencia entre cefeidas (de la población I y de la población II), se
encuentra que la distancia a Andrómeda estaba errada.
Para
los sistemas estelares más lejanos, nos basamos en el corrimiento al rojo
que muestran las galaxias, como nubecillas en las cuales ya no se hace posible
diferenciar estrellas individuales. No obstante, el comparar galaxias de un
mismo tipo o forma, nos permite afirmar con alguna aproximación que las que
aparecen en las imágenes con menor tamaño y brillo se encuentran a mayores
distancias, que sus similares de gran
tamaño y luminosidad.