25.1: La arquitectura de la Galaxia
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Explicar por qué William y Caroline Herschel concluyeron que la Vía Láctea tiene una estructura aplanada centrada en el Sol y el sistema solar
- Describir los desafíos de determinar la estructura de la Galaxia desde nuestro punto de vista dentro de ella
- Identificar los principales componentes de la Galaxia
La Galaxia de la Vía Láctea nos rodea, y podrías pensar que es fácil de estudiar porque está muy cerca. Sin embargo, el hecho mismo de que estemos incrustados dentro de él presenta un reto difícil. Supongamos que se le dio la tarea de mapear la ciudad de Nueva York. Podrías hacer un trabajo mucho mejor desde un helicóptero sobrevolando la ciudad que si estuvieras parado en Times Square. Del mismo modo, sería más fácil mapear nuestra Galaxia si solo pudiéramos salir un poco fuera de ella, pero en cambio estamos atrapados dentro y fuera de sus suburbios, lejos del equivalente galáctico de Times Square.
Herschel mide la galaxia
En 1785, William Herschel (Figura\(\PageIndex{1}\)) realizó el primer descubrimiento importante sobre la arquitectura de la Vía Láctea. Usando un gran telescopio reflectante que había construido, William y su hermana Caroline contaron estrellas en diferentes direcciones del cielo. Encontraron que la mayoría de las estrellas que podían ver yacían en una estructura aplanada que rodeaba el cielo, y que el número de estrellas era aproximadamente el mismo en cualquier dirección alrededor de esta estructura. Por lo tanto, Herschel concluyó que el sistema estelar al que pertenece el Sol tiene la forma de un disco o rueda (podría haberlo llamado Frisbee excepto que los Frisbees aún no se habían inventado), y que el Sol debía estar cerca del cubo de la rueda (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Para entender por qué Herschel llegó a esta conclusión, imagina que eres miembro de una banda en pie en formación durante el medio tiempo en un partido de fútbol. Si cuentas a los miembros de la banda que ves en diferentes direcciones y obtienes aproximadamente el mismo número cada vez, puedes concluir que la banda se ha arreglado en un patrón circular contigo en el centro. Como no ves miembros de la banda por encima de ti o underground, sabes que el círculo que hace la banda es mucho más plano que ancho.
Ahora sabemos que Herschel tenía razón sobre la forma de nuestro sistema, pero equivocado sobre dónde yace el Sol dentro del disco. Como vimos en Between the Stars: Gas y polvo en el espacio, vivimos en una Galaxia polvorienta. Debido a que el polvo interestelar absorbe la luz de las estrellas, Herschel solo pudo ver esas estrellas dentro de unos 6000 años luz del Sol. Hoy sabemos que se trata de una sección muy pequeña de todo el disco de estrellas de 100.000 años-luz de diámetro que conforma la Galaxia.
HARLOW SHAPLEY: MAPMAKER A LAS ESTRELLAS
Hasta principios del siglo XX, los astrónomos aceptaron generalmente la conclusión de Herschel de que el Sol está cerca del centro de la Galaxia. El descubrimiento del verdadero tamaño de la Galaxia y nuestra ubicación real se produjo en gran parte gracias a los esfuerzos de Harlow Shapley. En 1917, estudiaba estrellas variables RR Lyrae en cúmulos globulares. Al comparar la conocida luminosidad intrínseca de estas estrellas con lo brillantes que parecían, Shapley pudo calcular qué tan lejos están. (Recordemos que es la distancia la que hace que las estrellas se vean más tenues de lo que serían “de cerca”, y que el brillo se desvanece a medida que la distancia se cuadra). Conocer la distancia a cualquier estrella en un cúmulo nos dice entonces la distancia al cúmulo mismo.
Los cúmulos globulares se pueden encontrar en regiones que están libres de polvo interestelar y por lo tanto se pueden observar a distancias muy grandes. Cuando Shapley utilizó las distancias y direcciones de 93 cúmulos globulares para trazar sus posiciones en el espacio, encontró que los cúmulos se distribuyen en un volumen esférico, que tiene su centro no en el Sol sino en un punto distante a lo largo de la Vía Láctea en dirección a Sagitario. Shapley luego hizo la audaz suposición, verificada por muchas otras observaciones desde entonces, de que el punto en el que se centra el sistema de cúmulos globulares es también el centro de toda la Galaxia (Figura\(\PageIndex{3}\)).
El trabajo de Shapley demostró de una vez por todas que nuestra estrella no tiene un lugar especial en la Galaxia. Estamos en una región anodina de la Vía Láctea, solo una de 200 a 400 mil millones de estrellas que rodean el centro distante de nuestra Galaxia.
Nacido en 1885 en una granja en Missouri, Harlow Shapley al principio abandonó la escuela con el equivalente a solo una educación de quinto grado. Estudió en casa y a los 16 años consiguió un trabajo como reportero de periódicos cubriendo historias delictivas. Frustrado por la falta de oportunidades para alguien que no había terminado la secundaria, Shapley regresó y completó un programa de secundaria de seis años en sólo dos años, graduándose como valedictorian de clase.
En 1907, a los 22 años, fue a la Universidad de Missouri, con la intención de estudiar periodismo, pero descubrió que la escuela de periodismo no abriría por un año. Hojeando el catálogo de la universidad (o eso contó la historia más tarde), por casualidad vio “Astronomía” entre los temas comenzando con “A”. Recordando su interés juvenil por las estrellas, decidió estudiar astronomía para el próximo año (y el resto, como dice el refrán, es historia).
Al graduarse, Shapley recibió una beca para estudios de posgrado en Princeton y comenzó a trabajar con el brillante Henry Norris Russell (vea el cuadro de características de Henry Norris Russell en la Sección 18.4). Para su tesis doctoral, Shapley hizo importantes contribuciones a los métodos de análisis del comportamiento de eclipsar estrellas binarias. También pudo demostrar que las estrellas variables cefeidas no son sistemas binarios, como algunas personas pensaban en su momento, sino estrellas individuales que pulsan con sorprendente regularidad.
Impresionado con el trabajo de Shapley, George Ellery Hale le ofreció un puesto en el Observatorio Mount Wilson, donde el joven aprovechó el aire claro de la montaña y el reflector de 60 pulgadas para hacer su estudio pionero de estrellas variables en cúmulos globulares.
Posteriormente, Shapley aceptó la dirección del Harvard College Observatory, y durante los siguientes 30 años, él y sus colaboradores hicieron contribuciones a muchos campos de la astronomía, incluido el estudio de galaxias vecinas, el descubrimiento de galaxias enanas, un estudio de la distribución de galaxias en el universo, y mucho más. Escribió una serie de libros y artículos no técnicos y se hizo conocido como uno de los popularizadores más efectivos de la astronomía. Shapley disfrutó dando conferencias en todo el país, incluso en muchas universidades más pequeñas donde los estudiantes y profesores rara vez llegaban a interactuar con científicos de su calibre.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Shapley ayudó a rescatar a muchos científicos y sus familias de Europa del Este; más tarde, ayudó a fundar la UNESCO, la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura. Escribió un panfleto llamado Science from Shipboard para hombres y mujeres en las fuerzas armadas que tuvieron que pasar muchas semanas a bordo de barcos de transporte a Europa. Y durante el difícil periodo de la década de 1950, cuando los comités del Congreso comenzaron sus “cazas de brujas” para simpatizantes comunistas (entre ellos líderes liberales como Shapley), se pronunció enérgicamente y sin miedo en defensa de la libertad de pensamiento y expresión. Un hombre de muchos intereses, estaba fascinado por el comportamiento de las hormigas, y escribió artículos científicos sobre ellas así como sobre galaxias.
Para cuando murió en 1972, Shapley fue reconocido como una de las figuras fundamentales de la astronomía moderna, un “Copérnico del siglo XX” que mapeó la Vía Láctea y nos mostró nuestro lugar en la Galaxia.
Para encontrar más información sobre la vida y obra de Shapley, consulte la entrada para él en el sitio web de Bruce Medallistas. (Este sitio cuenta con los ganadores de la Medalla Bruce de la Sociedad Astronómica del Pacífico, uno de los más altos honores en astronomía; la lista es un quién es quién de algunos de los más grandes astrónomos de las últimas doce décadas.)
Discos y Haloes
Con instrumentos modernos, los astrónomos ahora pueden penetrar en el “smog” de la Vía Láctea al estudiar las emisiones de radio e infrarrojos de partes distantes de la Galaxia. Las mediciones a estas longitudes de onda (así como las observaciones de otras galaxias como la nuestra) nos han dado una buena idea de cómo sería la Vía Láctea si pudiéramos observarla desde la distancia.
La figura\(\PageIndex{4}\) esboza lo que veríamos si pudiéramos ver la Galaxia cara a cara y al borde. La parte más brillante de la Galaxia consiste en un disco delgado, circular y giratorio de estrellas distribuidas en una región de unos 100.000 años luz de diámetro y unos 1000 años luz de espesor. (Dado lo delgado que es el disco, tal vez un CD es una analogía más apropiada que una rueda). Además de las estrellas, el polvo y el gas del que se forman las estrellas también se encuentran principalmente en el delgado disco de la Galaxia. La masa de la materia interestelar es aproximadamente 15% de la masa de las estrellas en este disco.
Como\(\PageIndex{4}\) muestra el diagrama de la Figura, las estrellas, el gas y el polvo no se distribuyen uniformemente por todo el disco sino que se concentran en una barra central y una serie de brazos espirales. Recientes observaciones infrarrojas han confirmado que la barra central está compuesta principalmente por estrellas viejas de color amarillo-rojo. Los dos brazos principales en espiral parecen conectarse con los extremos de la barra. Están resaltados por la luz azul de las jóvenes estrellas calientes. Conocemos muchas otras galaxias espirales que también tienen concentraciones de estrellas en forma de barra en sus regiones centrales; por esa razón se les llama espirales barradas. La figura\(\PageIndex{5}\) muestra otras dos galaxias, una sin barra y otra con una barra fuerte, para darte una base de comparación con la nuestra. Describiremos nuestra estructura en espiral con más detalle en breve. El Sol se encuentra aproximadamente a medio camino entre el centro de la Galaxia y el borde del disco y sólo unos 70 años luz por encima de su plano central.
Nuestro delgado disco de estrellas jóvenes, gas y polvo está incrustado en un disco más grueso pero más difuso de estrellas más viejas; este disco más grueso se extiende alrededor de 1000 años luz por encima y 1000 años luz por debajo del plano medio del disco delgado y contiene solo alrededor del 5% de masa que el disco delgado. Las estrellas se adelgazan con la distancia del plano galáctico y no tienen un borde afilado. Aproximadamente 2/3 de las estrellas en el disco grueso están dentro de los 1000 años luz del plano medio.
Cerca del centro galáctico (dentro de unos 10,000 años luz), las estrellas ya no están confinadas al disco sino que forman una protuberancia central (o protuberancia nuclear). Cuando observamos con luz visible, podemos vislumbrar las estrellas en el bulto solo en esas raras direcciones donde resulta que hay relativamente poco polvo interestelar. La primera imagen que realmente logró mostrar el abultamiento en su conjunto fue tomada a longitudes de onda infrarrojas (Figura\(\PageIndex{6}\)).
El hecho de que gran parte del bulto esté oscurecido por el polvo hace que su forma sea difícil de determinar. Durante mucho tiempo, los astrónomos asumieron que era esférica. Sin embargo, las imágenes infrarrojas y otros datos indican que el bulto es aproximadamente dos veces más largo que ancho, y con forma más bien como un maní. La relación entre este bulto interno alargado y la barra de estrellas más grande sigue siendo incierta. En el centro mismo del bulto nuclear se encuentra una tremenda concentración de materia, que discutiremos más adelante en este capítulo.
En nuestra Galaxia, los discos delgados y gruesos y la protuberancia nuclear están incrustados en un halo esférico de estrellas muy viejas y tenues que se extiende a una distancia de al menos 150 mil años luz del centro galáctico. La mayoría de los cúmulos globulares también se encuentran en este halo.
La masa en la Vía Láctea se extiende aún más lejos, mucho más allá del límite de las estrellas luminosas a una distancia de al menos 200,000 años luz del centro de la Galaxia. A esta masa invisible se le ha dado el nombre de materia oscura porque no emite luz y no se puede ver con ningún telescopio. Se desconoce su composición, y sólo se puede detectar por sus efectos gravitacionales sobre los movimientos de la materia luminosa que podemos ver. Sabemos que este extenso halo de materia oscura existe por sus efectos sobre las órbitas de cúmulos estelares distantes y otras galaxias enanas que están asociadas con la Galaxia. Este misterioso halo será tema de la sección sobre La masa de la Galaxia, y las propiedades de la materia oscura serán discutidas más en el capítulo sobre El Big Bang.
Algunas estadísticas vitales de los discos delgados y gruesos y el halo estelar se dan en Tabla\(\PageIndex{1}\), con una ilustración en Figura\(\PageIndex{7}\). Obsérvese particularmente cómo las edades de las estrellas se correlacionan con el lugar donde se encuentran. Como veremos, esta información contiene importantes pistas sobre cómo se formó la Vía Láctea.
| Propiedad | Disco delgado | Disco Grueso | Halo estelar (excluye la materia oscura) |
|---|---|---|---|
| Masa estelar | 4 × 10 10\(M_{\text{Sun}}\) | Un poco por ciento de la masa del disco delgado | 10 10\(M_{\text{Sun}}\) |
| Luminosidad | 3 × 10 10\(L_{\text{Sun}}\) | Un poco por ciento de la luminosidad del disco delgado | 8 × 10 8\(L_{\text{Sun}}\) |
| Edad típica de las estrellas | 1 millón a 10 mil millones de años | 11 mil millones de años | 13 mil millones de años |
| Abundancia de elementos más pesados | Alto | Intermedio | Muy bajo |
| Rotación | Alto | Intermedio | Muy bajo |
Establecer esta imagen general de la Galaxia desde nuestro punto de vista cubierto de polvo dentro del delgado disco ha sido uno de los grandes logros de la astronomía moderna (y uno que requirió décadas de esfuerzo por parte de los astrónomos que trabajaban con una amplia gama de telescopios). Una cosa que ayudó enormemente fue el descubrimiento de que nuestro Glaxy no es único en sus características. Hay muchas otras islas planas en forma de espiral de estrellas, gas y polvo en el universo. Por ejemplo, la Vía Láctea se parece un poco a la galaxia de Andrómeda, que, a una distancia de unos 2.3 millones de años luz, es nuestra galaxia espiral gigante vecina más cercana. Así como puedes obtener una imagen mucho mejor de ti mismo si alguien más toma la foto a distancia, las imágenes y otras observaciones diagnósticas de galaxias cercanas que se asemejan a las nuestras han sido vitales para nuestra comprensión de las propiedades de la Vía Láctea.
la Vía Láctea en el mito y la leyenda
Para la mayoría de nosotros que vivimos en el siglo XXI, la Vía Láctea es una vista esquiva. Debemos hacer un esfuerzo para dejar nuestras casas y calles bien iluminadas y aventurarnos más allá de nuestras ciudades y suburbios hacia entornos menos poblados. Una vez que la contaminación lumínica disminuye a niveles insignificantes, la Vía Láctea se puede ver fácilmente arqueándose sobre el cielo en noches claras y sin luna. La Vía Láctea es especialmente brillante a fines del verano y principios del otoño en el hemisferio norte. Algunos de los mejores lugares para ver la Vía Láctea se encuentran en nuestros parques nacionales y estatales, donde los desarrollos residenciales e industriales se han mantenido al mínimo. Algunos de estos parques albergan eventos especiales de observación del cielo que definitivamente vale la pena visitar, especialmente durante las dos semanas que rodean la luna nueva, cuando las tenues estrellas y la Vía Láctea no tienen que competir con el brillo de la Luna.
Retroceda unos siglos, y estas vistas estrelladas habrían sido la norma más que la excepción. Antes del advenimiento de la iluminación eléctrica o incluso de gas, la gente dependía de incendios de corta duración para iluminar sus hogares y caminos. En consecuencia, sus cielos nocturnos eran típicamente mucho más oscuros. Enfrentados por innumerables patrones estelares y la banda de luz difusa de la Vía Láctea, personas de todas las culturas desarrollaron mitos para darle sentido a todo.
Algunos de los mitos más antiguos relacionados con la Vía Láctea son mantenidos por los aborígenes australianos a través de su pintura rupestre y narración de cuentos. Se piensa que estos legados se remontan a decenas de miles de años, a cuando los aborígenes estaban siendo “soñados” junto con el resto del cosmos. La Vía Láctea jugó un papel central como árbitro de la Creación. Tomando la forma de una gran serpiente, se unió con la serpiente terrestre para soñar y así crear todas las criaturas de la Tierra.
Los antiguos griegos veían a la Vía Láctea como un spray de leche que se derramaba del pecho de la diosa Hera. En esta leyenda, Zeus había colocado en secreto a su hijo pequeño Heracles en el pecho de Hera mientras ella dormía para darle poderes inmortales a su hijo medio humano. Cuando Hera se despertó y encontró a Heracles amamantando, ella lo alejó, haciendo que su leche rociara hacia el cosmos (Figura\(\PageIndex{8}\)).
Los chinos dinásticos consideraban a la Vía Láctea como un “río plateado” que se hizo para separar a dos amantes desventurados por las estrellas. Al oriente de la Vía Láctea, Zhi Nu, la doncella tejedora, fue identificada con la estrella brillante Vega en la constelación de Lyra el Arpa. Al oeste de la Vía Láctea, su amante Niu Lang, el pastorcillo, se asoció con la estrella Altair en la constelación de Aquila el Águila. Habían sido exiliados en lados opuestos de la Vía Láctea por la madre de Zhi Nu, la Reina del Cielo, después de que se enterara de su matrimonio secreto y del nacimiento de sus dos hijos. No obstante, una vez al año, se les permite reunirse. El séptimo día del séptimo mes lunar (que suele ocurrir en nuestro mes de agosto), se encontrarían en un puente sobre la Vía Láctea que miles de urracas habían hecho (Figura\(\PageIndex{8}\)). Esta época romántica se sigue celebrando hoy como Qi Xi, que significa “Doble Séptima”, con parejas recreando el reencuentro cósmico de Zhi Nu y Niu Lang.
Para los indios quechuas del Perú andino, la Vía Láctea era vista como la morada celeste para todo tipo de criaturas cósmicas. A lo largo de la Vía Láctea hay innumerables manchas oscuras que identificaron con perdices, llamas, un sapo, una serpiente, un zorro y otros animales. La orientación del quechua hacia las regiones oscuras en lugar de la banda resplandeciente de luz estelar parece ser única entre todos los creadores de mitos. Probablemente, su acceso a la Vía Láctea del sur, ricamente estructurada, tuvo algo que ver con ello.
Entre finlandeses, estonios y culturas afines del norte de Europa, la Vía Láctea es considerada como la “vía de las aves” a través del cielo nocturno. Habiendo señalado que las aves migran estacionalmente por una ruta norte-sur, identificaron esta vía con la Vía Láctea. Estudios científicos recientes han demostrado que este mito tiene sus raíces de hecho: las aves de esta región utilizan la Vía Láctea como guía para sus migraciones anuales.
Hoy, consideramos a la Vía Láctea como nuestra morada galáctica, donde el fomento del nacimiento estelar y la muerte estelar se desarrolla en un gran escenario, y donde se ha descubierto que diversos planetas orbitan todo tipo de estrellas. Aunque nuestra perspectiva sobre la Vía Láctea se basa en investigaciones científicas, compartimos con nuestros antecesores una afinidad por contar historias de origen y transformación. En estos aspectos, la Vía Láctea nos sigue fascinando e inspirando.
Conceptos clave y resumen
La Galaxia de la Vía Láctea consiste en un disco delgado que contiene polvo, gas y estrellas jóvenes y viejas; un halo esférico que contiene poblaciones de estrellas muy antiguas, incluyendo estrellas variables RR Lyrae y cúmulos estelares globulares; un disco grueso y más difuso con estrellas que tienen propiedades intermedias entre las del delgado disco y el halo; un bulto nuclear en forma de cacahuete de estrellas mayormente viejas alrededor del centro; y un agujero negro supermasivo en el centro. El Sol se encuentra aproximadamente a mitad de camino de la Vía Láctea, a unos 26,000 años luz del centro.
Glosario
- Halo de materia oscura
- la masa en la Vía Láctea que se extiende mucho más allá del límite de las estrellas luminosas a una distancia de al menos 200,000 años luz del centro de la Galaxia; aunque deducimos su existencia de su gravedad, la composición de esta materia sigue siendo un misterio
- halo
- la extensión más externa de nuestra Galaxia (u otra galaxia), que contiene una distribución dispersa de estrellas y cúmulos globulares en una distribución más o menos esférica
- Vía Láctea
- la banda de luz que rodea el cielo, lo que se debe a las muchas estrellas y nebulosas difusas que se encuentran cerca del plano de la Vía Láctea
- bulto central
- (o protuberancia nuclear) la parte central (redonda) de la Vía Láctea o una galaxia similar