25.E: La Vía Láctea (Ejercicios)

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 127606

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Para mayor exploración

Artículos

Blitz, L. “El lado oscuro de la Vía Láctea”. Scientific American (octubre de 2011): 36—43. Cómo encontramos la materia oscura y qué nos dice de nuestra Galaxia, su disco deformado y sus galaxias satélites.

Dvorak, J. “Viaje al Corazón de la Vía Láctea”. Astronomía (febrero 2008): 28. Medición de estrellas cercanas para determinar las propiedades del agujero negro en el centro.

Gallagher, J., Wyse, R., & Benjamin, R. “La Nueva Vía Láctea”. Astronomía (Septiembre 2011): 26. Destaca todos los aspectos de la Vía Láctea a partir de observaciones recientes.

Goldstein, A. “Encontrar nuestro lugar en la Vía Láctea”. Astronomía (agosto 2015): 50. Sobre la historia de las observaciones que señalaban la ubicación del Sol en la Galaxia.

Haggard, D., & Bower, G. “En el corazón de la Vía Láctea”. Sky & Telescope (febrero de 2016): 16. Sobre las observaciones del núcleo de la Galaxia y el agujero negro supermasivo y magnetar allí.

Ibata, R., & Gibson, B. “Los fantasmas de las galaxias pasadas”. Scientific American (Abril 2007): 40. Acerca de las corrientes estelares en la Galaxia que son evidencia de fusiones y colisiones pasadas.

Ilion, R. “Un final aplastante para nuestra galaxia”. Ciencia (7 de enero de 2000): 62. Sobre el papel de las fusiones en la evolución de la Vía Láctea.

Ilion, R. “Homing in on Black Holes”. Smithsonian (abril de 2008). Sobre cómo los astrónomos sondean el gran agujero negro en el centro de la Vía Láctea.

Kruesi, L. “Cómo mapeamos la Vía Láctea”. Astronomía (Octubre 2009): 28.

Kruesi, L. “¿Qué acecha en el monstruoso corazón de la Vía Láctea?” Astronomía (Octubre 2015): 30. En el centro de la Galaxia y el agujero negro ahí.

Laughlin, G., & Adams, F. “Celebrando el Milenio Galáctico”. Astronomía (noviembre de 2001): 39. El futuro a largo plazo de la Vía Láctea en los próximos 90 mil millones de años.

Loeb, A., & Cox, T.J. “La cita de nuestra galaxia con destrucción”. Astronomía (Junio 2008): 28. Describe la próxima fusión de la Vía Láctea y Andrómeda.

Szpir, M. “Aprobar el examen de la barra”. Astronomía (marzo de 1999): 46. En evidencia de que nuestra Galaxia es una espiral barrada.

Tanner, A. “Un Viaje al Centro Galáctico”. Sky & Telescope (abril de 2003): 44. Bonita introducción, con observaciones apuntando a la presencia de un agujero negro.

Trimble, V., & Parker, S. “Conoce la Vía Láctea”. Sky & Telescope (enero de 1995): 26. Visión general de nuestra Galaxia.

Wakker, B., & Richter, P. “Nuestra Galaxia Creciente y Respirante”. Scientific American (enero de 2004): 38. Evidencia de que nuestra Galaxia aún se está construyendo por la adición de gas y vecinos más pequeños.

Waller, W. “Rediseñando la Vía Láctea”. Sky & Telescope (septiembre de 2004): 50. Sobre recientes encuestas de múltiples longitudes de onda de la Galaxia.

Whitt, K. “La Vía Láctea desde adentro”. Astronomía (Noviembre 2001): 58. Fantástica imagen panorámica de la Galaxia, con gráficos de buscador y explicaciones.

Sitios web

Santuarios Internacionales del Cielo Oscuro: http://darksky.org/idsp/sanctuaries/. Una lista de santuarios, parques y reservas de cielo oscuro.

Vía Láctea Multilongitud de onda: http://mwmw.gsfc.nasa.gov/mmw_sci.html. Este sitio de la NASA muestra el plano de nuestra Galaxia en una variedad de bandas de longitud de onda, e incluye material de fondo y otros recursos.

Shapley-Curtis Debate en 1920: apod.nasa.gov/diamond_jubilee/debate_1920.html. En 1920, los astrónomos Harlow Shapley y Heber Curtis entablaron un debate histórico sobre cuán grande era nuestra Galaxia y si existían otras galaxias. Aquí podrás encontrar material histórico y educativo sobre el debate.

Grupo Centro Galáctico UCLA: http://www.galacticcenter.astro.ucla.edu/. Conoce más sobre el trabajo de Andrea Ghez y sus colegas en la región central de la Galaxia de la Vía Láctea.

Videos

Choque de los Titanes: http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast55a/. Este Hubblecast de 2012 cuenta con Jay Anderson y Roeland van der Marel explicando cómo Andrómeda chocará con la Vía Láctea en un futuro lejano (5:07).

Comedor en el Centro de la Galaxia: https://www.youtube.com/watch?v=UP7ig8Gxftw. Una breve discusión de NASA ScienceCast de observaciones NuStar de bengalas del agujero negro central de nuestra Galaxia (3:23).

A la caza de un agujero negro supermasivo: https://www.ted.com/talks/andrea_ghe...ive_black_hole. 2009 Charla TED de Andrea Ghez sobre la búsqueda de agujeros negros supermasivos, particularmente el del centro de la Vía Láctea (16:19).

Viaje al Centro Galáctico: https://www.youtube.com/watch?v=36xZsgZ0oSo. Un breve viaje silencioso al cúmulo de estrellas cerca del centro galáctico mostrando sus movimientos alrededor del centro (3:00).

Actividades de Grupo Colaborativo

Te capturan extraterrestres, que te llevan dentro de una compleja nube de gas interestelar, polvo y algunas estrellas recién formadas. Para escapar, necesitas hacer un mapa de la nube. Por suerte, los alienígenas cuentan con un completo observatorio astronómico con equipos para medir todas las bandas del espectro electromagnético. Usando lo que has aprendido en este capítulo, haz que tu grupo discuta qué tipo de mapas harías de la nube para trazar tu ruta de escape más efectiva.
El diagrama que Herschel hizo de la Vía Láctea tiene un límite exterior muy irregular (ver Figura\(25.1.2\) en la Sección 25.1). ¿Su grupo puede pensar en alguna razón para esto? ¿Cómo construyó Herschel su mapa?
Supongamos que para tu examen final en este curso, a tu grupo se le asigna tiempo de telescopio para observar una estrella seleccionada para ti por tu profesor. El profesor te dice la posición de la estrella en el cielo (su recta ascensión y declinación) pero nada más. Puedes hacer cualquier observación que desees. ¿Cómo harías para determinar si la estrella es miembro de la población I o de la población II?
La existencia de la materia oscura viene como una gran sorpresa, y su naturaleza sigue siendo un misterio hoy en día. Algún día los astrónomos sabrán mucho más al respecto (puedes conocer más sobre los hallazgos actuales en La evolución y distribución de las galaxias). ¿Puede su grupo hacer una lista de observaciones astronómicas anteriores que comenzaron como una sorpresa y misterio, pero terminaron (con más observaciones) como partes bien entendidas de los libros de texto introductorios?
El físico Gregory Benford ha escrito una serie de novelas de ciencia ficción que tienen lugar cerca del centro de la Vía Láctea en un futuro lejano. Supongamos que su grupo estaba escribiendo tal historia. Haga una lista de formas en que el entorno cercano al centro galáctico difiere del ambiente en los “suburbios galácticos”, donde se encuentra el Sol. ¿La vida tal como la conocemos tendría un tiempo más fácil o más difícil sobrevivir en planetas que orbitan estrellas cerca del centro (y por qué)?
En estos días, en la mayoría de las zonas urbanas, las luces de la ciudad inundan completamente la tenue luz de la Vía Láctea en nuestros cielos. Haz que cada miembro de tu grupo haga una encuesta de 5 a 10 amigos o familiares (podrías extenderte en el campus para investigar o usar las redes sociales o el teléfono), explicando qué es la Vía Láctea y luego preguntando si la han visto. Pregunte también su edad. Informe de nuevo a su grupo y discuta sus reacciones a la encuesta. ¿Existe alguna relación entre la edad de una persona y si ha visto la Vía Láctea? ¿Qué tan importante es que muchos niños que crecen hoy en la Tierra nunca (o raramente) lleguen a ver nuestra galaxia hogareña en el cielo?

Preguntas de revisión

Explica por qué vemos a la Vía Láctea como una tenue banda de luz que se extiende por el cielo.
Explica dónde en una galaxia espiral esperarías encontrar cúmulos globulares, nubes moleculares e hidrógeno atómico.
Describir varias características que distinguen las estrellas de la población I de las estrellas de la población II
Describa brevemente las partes principales de nuestra Galaxia.
Describir las evidencias que indican que un agujero negro puede estar en el centro de nuestra Galaxia.
Explica por qué las abundancias de elementos pesados en las estrellas se correlacionan con sus posiciones en la Galaxia.
¿Cuál será el futuro a largo plazo de nuestra Galaxia?

Preguntas de Pensamiento

Supongamos que la Vía Láctea era una banda de luz que se extendía solo a la mitad del cielo (es decir, en semicírculo). ¿Qué, entonces, concluirías sobre la ubicación del Sol en la Galaxia? Dale tu razonamiento.
Supongamos que alguien propuso que en lugar de invocar la materia oscura para explicar el aumento de las velocidades orbitales de las estrellas más allá de la órbita del Sol, el problema podría resolverse asumiendo que el agujero negro central de la Vía Láctea era mucho más masivo. ¿El simple aumento de la masa supuesta del agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea resuelve correctamente el problema de las velocidades orbitales inesperadamente altas en la Galaxia? ¿Por qué o por qué no?
Los cúmulos globulares giran alrededor de la Galaxia en órbitas altamente elípticas. ¿Dónde esperarías que los clusters pasaran la mayor parte de su tiempo? (Piense en las leyes de Kepler.) En cualquier momento dado, ¿esperarías que la mayoría de los cúmulos globulares se muevan a altas o bajas velocidades con respecto al centro de la Galaxia? ¿Por qué?
Shapley utilizó las posiciones de los cúmulos globulares para determinar la ubicación del centro galáctico. ¿Podría haber usado racimos abiertos? ¿Por qué o por qué no?
Considere los siguientes cinco tipos de objetos: cúmulo abierto, nube molecular gigante, cúmulo globular, grupo de estrellas O y B y nebulosas planetarias.
1. ¿Cuáles ocurren solo en brazos espirales?
2. ¿Cuáles ocurren sólo en las partes de la Galaxia que no sean los brazos espirales?
3. ¿Cuáles se cree que son muy jóvenes?
4. ¿Cuáles se cree que son muy viejos?
5. ¿Cuáles tienen las estrellas más calientes?
La galaxia enana en Sagitario es la más cercana a la Vía Láctea, sin embargo, solo fue descubierta en 1994. ¿Se te ocurre alguna razón por la que no se descubrió antes? (Pista: Piensa en qué más hay en su constelación.)
Supongamos que tres estrellas se encuentran en el disco de la Galaxia a distancias de 20 mil años luz, 25 mil años luz y 30 mil años luz del centro galáctico, y supongamos que ahora mismo los tres están alineados de tal manera que es posible trazar una línea recta a través de ellas y hacia el centro de la Galaxia. ¿Cómo cambiarán con el tiempo las posiciones relativas de estas tres estrellas? Supongamos que sus órbitas son todas circulares y se encuentran en el plano del disco.
¿Por qué ocurre la formación estelar principalmente en el disco de la Galaxia?
¿En qué parte de la Galaxia esperarías encontrar supernovas Tipo II, que son las explosiones de estrellas masivas que pasan por sus vidas muy rápido? ¿Dónde esperarías encontrar supernovas Tipo I, que involucran las explosiones de enanas blancas?
Supongamos que las estrellas evolucionaron sin perder masa, que una vez que la materia se incorporó a una estrella, permaneció ahí para siempre. ¿En qué se diferenciaría la apariencia de la Galaxia de lo que es ahora? ¿Habría población I y población II estrellas? ¿Qué otras diferencias habría?

Calcular por ti mismo

Supongamos que el Sol orbita el centro de la Galaxia a una velocidad de 220 km/s y a una distancia de 26,000 años luz del centro.
1. Calcular la circunferencia de la órbita del Sol, asumiendo que es aproximadamente circular. (Recuerde que la circunferencia de un círculo viene dada por 2π R, donde R es el radio del círculo. Asegúrese de usar unidades consistentes. La conversión de años luz a km/s se puede encontrar en una calculadora o apéndice en línea, o puede calcularla usted mismo: la velocidad de la luz es de 300,000 km/s, y puede determinar el número de segundos en un año.)
2. Calcula el periodo del Sol, el “año galáctico”. Nuevamente, ten cuidado con las unidades. ¿Está de acuerdo con el número que dimos anteriormente?
El Sol orbita el centro de la Galaxia en 225 millones de años a una distancia de 26,000 años luz. Dado eso\[a^3= \left( M_1 + M_2 \right) \times P^2 \nonumber\], ¿dónde\(a\) está el eje semimajor y\(P\) está el periodo orbital, cuál es la masa de la Galaxia dentro de la órbita del Sol?
Supongamos que el Sol orbitó un poco más lejos, pero la masa de la Galaxia dentro de su órbita siguió siendo la misma que calculamos en Calculando por Ti Mismo Ejercicio 2. ¿Cuál sería su periodo a una distancia de 30 mil años luz?
Hemos dicho que la Galaxia gira diferencialmente; es decir, las estrellas en las partes internas completan una órbita completa de 360° alrededor del centro de la Galaxia más rápidamente que las estrellas más alejadas. Usa la tercera ley de Kepler y la masa que derivamos en el Ejercicio 2 de figurar para ti mismo para calcular el periodo de una estrella que está a solo 5000 años luz del centro. Ahora haga el mismo cálculo para un cúmulo globular a una distancia de 50,000 años luz. Supongamos que el Sol, esta estrella y el cúmulo globular caen en línea recta a través del centro de la Galaxia. ¿Dónde serán relativos entre sí después de que el Sol complete un viaje completo alrededor del centro de la Galaxia? (Supongamos que toda la masa en la Galaxia está concentrada en su centro.)
Si nuestro sistema solar tiene 4.600 millones de años, ¿cuántos años galácticos ha existido el planeta Tierra?
Supongamos que la masa promedio de una estrella en la Galaxia es un tercio de una masa solar. Usa el valor para la masa de la Galaxia que calculamos en Calculando por ti mismo Ejercicio 2, y estima cuántas estrellas hay en la Vía Láctea. Dar algunas razones es razonable suponer que la masa de una estrella promedio es menor que la masa del Sol.
La primera pista de que la Galaxia contiene mucha materia oscura fue la observación de que las velocidades orbitales de las estrellas no disminuyeron al aumentar la distancia desde el centro de la Galaxia. Construir una curva de rotación para el sistema solar utilizando las velocidades orbitales de los planetas, que se pueden encontrar en el Apéndice F. ¿En qué difiere esta curva de la curva de rotación para la Galaxia? ¿Qué te dice sobre dónde se concentra la mayor parte de la masa en el sistema solar?
La mejor evidencia de un agujero negro en el centro de la Galaxia también proviene de la aplicación de la tercera ley de Kepler. Supongamos que una estrella a una distancia de 20 horas luz del centro de la Galaxia tiene una velocidad orbital de 6200 km/s ¿Cuánta masa debe ubicarse dentro de su órbita?
El siguiente paso para decidir si el objeto en Figurar por ti mismo Ejercicio 8 es un agujero negro es estimar la densidad de esta masa. Supongamos que toda la masa se extiende uniformemente a lo largo de una esfera con un radio de 20 horas luz. ¿Cuál es la densidad en kg/km ³? (Recuerda que el volumen de una esfera viene dado por\(V= \frac{4}{3} \pi R^3 \).) Explica por qué la densidad podría ser incluso mayor que el valor que has calculado. ¿Cómo se compara esta densidad con la del Sol u otros objetos de los que hemos hablado en este libro?
Supongamos que la galaxia enana de Sagitario se fusiona completamente con la Vía Láctea y le agrega 150 mil estrellas. Estimar el cambio porcentual en la masa de la Vía Láctea. ¿Será esta masa suficiente para afectar la órbita del Sol alrededor del centro galáctico? Supongamos que todas las estrellas de la galaxia Sagitario terminan en el bulto nuclear de la Vía Láctea y explica tu respuesta.