25.2: Estructura Espiral

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Describir la estructura de la Vía Láctea y cómo los astrónomos la descubrieron
• Comparar modelos teóricos para la formación de brazos espirales en galaxias de disco

Los astrónomos lograron avances tremendos en el mapeo de la estructura espiral de la Vía Láctea tras el descubrimiento de la línea de 21 cm que proviene del hidrógeno frío (ver Entre las estrellas: gas y polvo en el espacio). Recuerda que el efecto oscurecidor del polvo interestelar nos impide ver estrellas a grandes distancias en el disco a longitudes de onda visibles. Sin embargo, ondas de radio de 21 cm de longitud de onda pasan a través del polvo, permitiendo a los astrónomos detectar átomos de hidrógeno en toda la Galaxia. Encuestas más recientes de la emisión infrarroja de las estrellas en el disco han proporcionado una perspectiva similar sin polvo de la distribución estelar de nuestra Galaxia. A pesar de todos estos avances en los últimos cincuenta años, todavía estamos empezando a precisar la estructura precisa de nuestra Galaxia.

Los brazos de la Vía Láctea

Nuestras radioobservaciones del componente gaseoso del disco indican que la Galaxia tiene dos brazos espirales principales que emergen de la barra y varios brazos más débiles y espolones más cortos. Se puede ver un mapa recientemente ensamblado de la estructura del brazo de nuestra Galaxia, derivado de estudios en el infrarrojo, en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\) Vía Láctea Barra y Brazos. Aquí, vemos la Galaxia de la Vía Láctea como se vería desde arriba. Esta imagen, ensamblada a partir de datos de la misión WISE de la NASA, muestra que la Vía Láctea tiene una barra modesta en sus regiones centrales. Dos brazos espirales, Scutum-Centaurus y Perseo, emergen de los extremos de la barra y se envuelven alrededor del bulto. Los brazos Sagitario y Exterior tienen menos estrellas que los otros dos brazos.

El Sol está cerca del borde interior de un brazo corto llamado Espuela de Orión, que tiene unos 10.000 años luz de largo y contiene rasgos tan llamativos como la Grieta Cygnus (la gran nebulosa oscura en la Vía Láctea de verano) y la brillante Nebulosa de Orión. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra algunos otros objetos que comparten esta pequeña sección de la Galaxia con nosotros y son fáciles de ver. Recuerda, cuanto más lejos intentamos mirar desde nuestro propio brazo, más se acumula el polvo en la Galaxia y hace que sea difícil de ver con luz visible.

Figura Espuela\(\PageIndex{2}\) Orion. El Sol se encuentra en el Espuela de Orión, que es un brazo espiral menor ubicado entre otros dos brazos. En este diagrama, las líneas blancas apuntan a algunos otros objetos notables que comparten esta característica de la Vía Láctea con el Sol.

Formación de Estructura Espiral

A la distancia del Sol de su centro, el Galaxy no gira como una rueda sólida o un CD dentro de tu reproductor. En cambio, la forma en que los objetos individuales giran alrededor del centro de la Galaxia es más como el sistema solar. Las estrellas, así como las nubes de gas y polvo, obedecen a la tercera ley de Kepler. Los objetos más alejados del centro tardan más en completar una órbita alrededor de la Galaxia que aquellos más cercanos al centro. En otras palabras, las estrellas (y la materia interestelar) en órbitas más grandes en la Galaxia se arrastran detrás de las de las más pequeñas. Este efecto se llama rotación galáctica diferencial.

La rotación diferencial parecería explicar por qué gran parte del material en el disco de la Vía Láctea se concentra en rasgos alargados que se asemejan a brazos espirales. No importa cuál sea la distribución original del material, la rotación diferencial de la Galaxia puede estirarla en características en espiral. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra el desarrollo de brazos espirales a partir de dos manchas irregulares de materia interestelar. Observe que a medida que las porciones de las manchas más cercanas al centro galáctico se mueven más rápido, las que están más alejadas se quedan atrás.

Figura\(\PageIndex{3}\): Modelo Simplificado para la Formación de Brazos Espirales. Este boceto muestra cómo podrían formarse brazos espirales a partir de nubes irregulares de material interestelar extendidas por las diferentes velocidades de rotación a lo largo de la Galaxia. Las regiones más alejadas del centro galáctico tardan más en completar sus órbitas y, por lo tanto, quedan por detrás de las regiones internas. Si este fuera el único mecanismo para crear brazos espirales, entonces con el tiempo los brazos espirales terminarían completamente y desaparecerían. Dado que muchas galaxias tienen brazos espirales, deben ser de larga duración, y debe haber otros procesos en funcionamiento para mantenerlas.

Pero esta imagen de brazos espirales presenta a los astrónomos un problema inmediato. Si eso es todo lo que hubiera en la historia, la rotación diferencial —a lo largo de los aproximadamente 13 mil millones de años de historia de la Galaxia— habría herido los brazos de la Galaxia cada vez más tensos hasta que hubiera desaparecido toda apariencia de estructura espiral. Pero, ¿la Vía Láctea realmente tenía brazos espirales cuando se formó hace 13 mil millones de años? Y ¿los brazos en espiral, una vez formados, duran tanto tiempo?

Con la llegada del Telescopio Espacial Hubble, se ha hecho posible observar la estructura de galaxias muy distantes y ver cómo eran poco después de que comenzaran a formarse hace más de 13 mil millones de años. Lo que muestran las observaciones es que las galaxias en su infancia tenían regiones brillantes y grumosas formadoras de estrellas, pero ninguna estructura espiral regular.

En los próximos miles de millones de años, las galaxias comenzaron a “asentarse”. Las galaxias que iban a convertirse en espirales perdieron sus macizos masivos y desarrollaron una protuberancia central. La turbulencia en estas galaxias disminuyó, la rotación comenzó a dominar los movimientos de las estrellas y el gas, y las estrellas comenzaron a formarse en un disco mucho más silencioso. Los grupos más pequeños que formaban estrellas comenzaron a formar brazos espirales difusos y no muy distintos. Los brazos espirales brillantes y bien definidos comenzaron a aparecer solo cuando las galaxias tenían alrededor de 3.6 mil millones de años. Inicialmente, había dos brazos bien definidos. Las estructuras multiarmadas en galaxias como vemos en la Vía Láctea aparecieron solo cuando el universo tenía unos 8 mil millones de años.

Discutiremos la historia de las galaxias con más detalle en La evolución y distribución de las galaxias. Pero, incluso a partir de nuestra breve discusión, se puede tener la sensación de que las estructuras espirales que ahora observamos en galaxias maduras han llegado más adelante en la historia completa de cómo se desarrollan las cosas en el universo.

Los científicos han utilizado cálculos de supercomputadora para modelar la formación y evolución de los brazos. Estos cálculos siguen los movimientos de hasta 100 millones de “partículas estelares” para ver si las fuerzas gravitacionales pueden hacer que formen una estructura espiral. Lo que muestran estos cálculos es que las nubes moleculares gigantes (que discutimos en Entre las estrellas: gas y polvo en el espacio) tienen suficiente influencia gravitacional sobre su entorno para iniciar la formación de estructuras que parecen brazos espirales. Estas armas entonces se vuelven autoperpetuantes y pueden sobrevivir por lo menos varios miles de millones de años. Los brazos pueden cambiar su brillo con el tiempo a medida que la formación estelar va y viene, pero no son rasgos temporales. La concentración de materia en los brazos ejerce suficiente fuerza gravitacional para mantener los brazos unidos durante largos períodos de tiempo.

Conceptos clave y resumen

La distribución gaseosa en el disco de la Galaxia tiene dos brazos espirales principales que emergen de los extremos de la barra central, junto con varios brazos más débiles y espolones cortos; el Sol se encuentra en uno de esos espolones. Las mediciones muestran que la Galaxia no gira como un cuerpo sólido, sino que sus estrellas y gas siguen la rotación diferencial, de tal manera que el material más cercano al centro galáctico completa su órbita más rápidamente. Las observaciones muestran que galaxias como la Vía Láctea tardan varios miles de millones de años después de que comenzaron a formarse para desarrollar una estructura espiral.

Glosario

rotación galáctica diferencial

la idea de que diferentes partes de la Galaxia giran a diferentes velocidades, ya que las partes de la Galaxia siguen la tercera ley de Kepler: los objetos más distantes tardan más en completar una órbita completa alrededor del centro de la Galaxia

brazo espiral

una región en forma de espiral, caracterizada por material interestelar relativamente denso y estrellas jóvenes, que se observa en los discos de galaxias espirales