25.6: La formación de la Galaxia

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Describir los papeles que juega el colapso de una sola nube y las fusiones con otras galaxias en la construcción de la Vía Láctea que vemos hoy
• Proporcionar ejemplos de cúmulos globulares y galaxias satélites afectadas por la fuerte gravedad de la Vía Láctea.

La información sobre las poblaciones estelares contiene pistas vitales sobre cómo se construyó nuestra Galaxia a lo largo del tiempo. La forma de disco aplanado de la Galaxia sugiere que se formó a través de un proceso similar al que conduce a la formación de una protoestrella (ver El nacimiento de las estrellas y el descubrimiento de planetas fuera del Sistema Solar). Sobre la base de esta idea, los astrónomos desarrollaron por primera vez modelos que asumieron que la Galaxia se formaba a partir de una Pero, como veremos, esto resulta ser sólo una parte de la historia.

La nube protogaláctica y el modelo de colapso monolítico

Debido a que las estrellas más antiguas —las del halo y en los cúmulos globulares— se distribuyen en una esfera centrada en el núcleo de la Galaxia, tiene sentido suponer que la nube protogaláctica que dio origen a nuestra Galaxia era más o menos esférica. Las estrellas más antiguas del halo tienen edades de 12 a 13 mil millones de años, por lo que estimamos que la formación de la Galaxia comenzó aproximadamente hace tanto tiempo. (Consulte el capítulo sobre El Big Bang para ver otra evidencia de que las galaxias en general comenzaron a formarse hace poco más de 13 mil millones de años). Entonces, al igual que en el caso de la formación estelar, la nube protogaláctica colapsó y formó un delgado disco giratorio. Las estrellas nacidas antes del colapso de la nube no participaron en el colapso, sino que han seguido orbitando en el halo hasta nuestros días (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Modelo de Colapso\(\PageIndex{1}\) Monolítico para la Formación de la Galaxia. Según este modelo, la Vía Láctea inicialmente se formó a partir de una nube giratoria de gas que colapsó debido a la gravedad. Las estrellas halo y los cúmulos globulares se formaron antes del colapso o se formaron en otro lugar. Las estrellas en el disco se formaron más tarde, cuando el gas del que estaban hechas ya estaba “contaminado” con elementos pesados producidos en generaciones anteriores de estrellas.

Las fuerzas gravitacionales provocaron que el gas en el disco delgado se fragmentara en nubes o grupos con masas como las de los cúmulos estelares. Estas nubes individuales luego se fragmentaron aún más para formar estrellas. Dado que las estrellas más antiguas del disco son casi tan antiguas como las estrellas más jóvenes del halo, el colapso debió haber sido rápido (astronómicamente hablando), requiriendo quizás no más de unos pocos cientos de millones de años.

Víctimas de colisión y el modelo de fusión múltiple

En décadas pasadas, los astrónomos han aprendido que la evolución de la Galaxia no ha sido tan pacífica como sugiere este modelo monolítico de colapso. En 1994, los astrónomos descubrieron una pequeña galaxia nueva en dirección a la constelación de Sagitario. La galaxia enana Sagitario se encuentra actualmente a unos 70 mil años luz de distancia de la Tierra y 50 mil años luz del centro de la Galaxia. Es la galaxia más cercana conocida (Figura\(\PageIndex{2}\)). Es muy alargada, y su forma indica que está siendo desgarrada por las mareas gravitacionales de nuestra Galaxia, así como el cometa Shoemaker-Levy 9 fue desgarrado cuando pasó demasiado cerca de Júpiter en 1992.

La galaxia Sagitario es mucho más pequeña que la Vía Láctea, con sólo unas 150.000 estrellas, todas las cuales parecen destinadas a terminar en el abultamiento y halo de nuestra propia Galaxia. Pero aún no suene las campanas fúnebres para la pequeña galaxia; la ingestión del enano Sagitario tardará otros 100 millones de años más o menos, y las estrellas mismas sobrevivirán.

Figura\(\PageIndex{2}\) Sagitario Enano. En 1994, los astrónomos británicos descubrieron una galaxia en la constelación de Sagitario, ubicada a solo unos 50 mil años luz del centro de la Vía Láctea y cayendo en nuestra Galaxia. Esta imagen cubre una región aproximadamente 70° × 50° y combina una vista en blanco y negro del disco de nuestra Galaxia con un mapa de contorno rojo que muestra el brillo de la galaxia enana. La galaxia enana yace al otro lado del centro galáctico de nosotros. Las estrellas blancas en la región roja marcan la ubicación de varios cúmulos globulares contenidos dentro de la galaxia enana Sagitario. La cruz marca el centro galáctico. La línea horizontal corresponde al plano galáctico. El contorno azul a ambos lados del plano galáctico corresponde a la imagen infrarroja de la Figura\(25.1.6\) en la Sección 25.1. Las cajas marcan regiones donde estudios detallados de estrellas individuales llevaron al descubrimiento de esta galaxia.

Desde ese descubrimiento, se han encontrado pruebas de muchos más encuentros cercanos entre nuestra Galaxia y otras galaxias vecinas. Cuando una pequeña galaxia se aventura demasiado cerca, la fuerza de gravedad ejercida por nuestra Galaxia tira más fuerte en el lado cercano que en el otro lado. El efecto neto es que las estrellas que originalmente pertenecían a la pequeña galaxia se extienden en una larga corriente que orbita a través del halo de la Vía Láctea (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\) Corrientes en el Halo Galáctico. Cuando una pequeña galaxia es tragada por la Vía Láctea, sus estrellas miembros son despojadas y forman corrientes de estrellas en el halo galáctico. Esta imagen se basa en cálculos de cómo podrían verse algunas de estas corrientes mareales si la Vía Láctea se tragara 50 galaxias enanas en los últimos 10 mil millones de años.

Tal corriente de marea puede mantener su identidad durante miles de millones de años. Hasta la fecha, los astrónomos han identificado corrientes originarias de 12 galaxias pequeñas que se aventuraron demasiado cerca de la Vía Láctea mucho más grande. Seis arroyos más están asociados con cúmulos globulares. Se ha sugerido que los grandes cúmulos globulares, como los Omega Centauri, son en realidad núcleos densos de galaxias enanas canibalizadas. Ahora se piensa que el cúmulo globular M54 es el núcleo de la enana Sagitario que discutimos anteriormente, que actualmente se está fusionando con la Vía Láctea (Figura\(\PageIndex{4}\)). Las estrellas en las regiones exteriores de tales galaxias son despojadas por la atracción gravitacional de la Vía Láctea, pero las regiones densas centrales pueden sobrevivir.

Figura\(\PageIndex{4}\) Cúmulo Globular M54. Esta hermosa imagen del Telescopio Espacial Hubble muestra el cúmulo globular que ahora se cree que es el núcleo de la Galaxia Enana Sagitario.

Los cálculos indican que el disco grueso de la Galaxia puede ser producto de una o más colisiones de este tipo con otras galaxias. La acreción de una galaxia satelital agitaría las órbitas de las estrellas y las nubes de gas originalmente en el delgado disco y provocaría que se muevan más arriba y por debajo del plano medio de la Galaxia. En tanto, las estrellas de la Galaxia se sumarían a la mezcla esponjada. Si tal colisión ocurriera hace unos 10 mil millones de años, entonces cualquier gas en las dos galaxias que aún no se hubieran formado en estrellas habría tenido tiempo de sobra para volver a asentarse en el delgado disco. El gas podría entonces haber comenzado a formar generaciones posteriores de población I estrellas. Este tiempo también es consistente con las edades típicas de las estrellas en el disco grueso.

La Vía Láctea tiene más colisiones en la tienda. Un ejemplo es la galaxia enana Canis Major, que tiene una masa de alrededor del 1% de la masa de la Vía Láctea. Ya largas colas de marea han sido despojadas de esta galaxia, que se han envuelto alrededor de la Vía Láctea tres veces. Varios de los cúmulos globulares que se encuentran en la Vía Láctea también pueden haber provenido de la enana Canis Mayor, que se espera se fusione gradualmente con la Vía Láctea durante aproximadamente los próximos mil millones de años.

En unos 3 mil millones de años, la propia Vía Láctea será tragada, ya que ella y la galaxia de Andrómeda están en curso de colisión. Nuestros modelos de computadora muestran que después de una interacción compleja, los dos se fusionarán para formar una galaxia más grande y redondeada (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\) Colisión de la Vía Láctea con Andrómeda. En unos 3 mil millones de años, la Galaxia de la Vía Láctea y la Galaxia de Andrómeda comenzarán un largo proceso de colisionar, separarse y luego volver a unirse para formar una galaxia elíptica. Toda la interacción tardará de 3 a 4 mil millones de años. Estas imágenes muestran la siguiente secuencia: (1) En 3.750 millones de años, Andrómeda se ha acercado a la Vía Láctea. (2) La nueva formación estelar llena el cielo dentro de 3.85 mil millones de años. (3) La formación estelar continúa en 3.9 mil millones de años. (4) Las formas de las galaxias cambian a medida que interactúan, con Andrómeda siendo estirada y nuestra Galaxia deformada, dentro de unos 4 mil millones de años. (5) En 5.100 millones de años, los núcleos de las dos galaxias son lóbulos brillantes. (6) En 7 mil millones de años, las galaxias fusionadas forman una enorme galaxia elíptica cuyo brillo llena el cielo nocturno. Las ilustraciones de este artista muestran eventos desde un punto de vista a 25.000 años luz del centro de la Vía Láctea. No obstante, debemos mencionar que el Sol puede no estar a esa distancia a lo largo de la secuencia de eventos, ya que la colisión reajusta las órbitas de muchas estrellas dentro de cada galaxia.

Así nos estamos dando cuenta de que las “influencias ambientales” (y no solo las características originales de una galaxia) juegan un papel importante en la determinación de las propiedades y el desarrollo de nuestra Galaxia. En futuros capítulos veremos que las colisiones y fusiones también son un factor importante en la evolución de muchas otras galaxias.

Resumen

La Galaxia comenzó a formarse hace poco más de 13 mil millones de años. Los modelos sugieren que las estrellas en el halo y los cúmulos globulares se formaron primero, mientras que la Galaxia era esférica. El gas, algo enriquecido en elementos pesados por la primera generación de estrellas, luego colapsó de una distribución esférica a una distribución giratoria en forma de disco. Las estrellas siguen formándose hoy a partir del gas y el polvo que quedan en el disco. La formación estelar ocurre más rápidamente en los brazos espirales, donde la densidad de la materia interestelar es mayor. La Galaxia capturó (y aún está capturando) estrellas adicionales y cúmulos globulares de pequeñas galaxias que se aventuraron demasiado cerca de la Vía Láctea. En 3 a 4 mil millones de años, la Galaxia comenzará a chocar con la galaxia de Andrómeda, y después de unos 7 mil millones de años, las dos galaxias se fusionarán para formar una galaxia elíptica gigante.