28.1: Observaciones de Galaxias Distantes
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Explicar cómo los astrónomos usan la luz para aprender sobre galaxias distantes hace mucho tiempo
- Discutir la evidencia que muestra que las primeras estrellas se formaron cuando el universo tenía menos del 10% de su edad actual
- Describir las principales diferencias observadas entre galaxias vistas en el lejano, universo temprano y galaxias vistas en el universo cercano hoy
Comencemos explorando algunas técnicas que los astrónomos utilizan para estudiar cómo nacen y cambian las galaxias a lo largo del tiempo cósmico. Supongamos que querías entender cómo los humanos adultos llegaron a ser como son. Si fueras muy dedicado y paciente, en realidad podrías observar una muestra de bebés desde el nacimiento, seguirlos a través de la infancia, la adolescencia y hasta la edad adulta, y hacer medidas básicas como sus alturas, pesos y los tamaños proporcionales de diferentes partes de sus cuerpos para entender cómo cambiar con el tiempo.
Desafortunadamente, no tenemos tal posibilidad de entender cómo crecen y cambian las galaxias con el tiempo: en una vida humana —o incluso a lo largo de toda la historia de la civilización humana— las galaxias individuales apenas cambian en absoluto. Necesitamos otras herramientas además de observar pacientemente galaxias individuales para estudiar y comprender esos cambios largos y lentos.
Sin embargo, tenemos un activo notable en el estudio de la evolución galáctica. Como hemos visto, el universo mismo es una especie de máquina del tiempo que nos permite observar galaxias remotas como lo eran hace mucho tiempo. Para las galaxias más cercanas, como la galaxia de Andrómeda, el tiempo que tarda la luz en llegar a nosotros es del orden de unos cientos de miles a unos pocos millones de años. Normalmente no hay muchos cambios a lo largo de tiempos tan cortos: las estrellas individuales de la galaxia pueden nacer o morir, pero la estructura general y el aspecto de la galaxia seguirán siendo los mismos. Pero hemos observado galaxias tan lejanas que las estamos viendo como estaban cuando la luz las dejó hace más de 10 mil millones de años.
Al observar objetos más distantes, miramos más atrás hacia una época en la que tanto las galaxias como el universo eran jóvenes (Figura\(\PageIndex{1}\)). Esto es un poco como recibir cartas por correo de varios amigos lejanos: cuanto más lejos estaba la amiga cuando te envió la carta por correo, más larga debió haber estado en tránsito la carta, y así cuanto más vieja es la noticia cuando llega a tu buzón; estás aprendiendo algo sobre su vida en un momento anterior que cuando lees la carta.
Si no podemos detectar directamente los cambios a lo largo del tiempo en galaxias individuales porque ocurren muy lentamente, ¿cómo entonces podremos entender esos cambios y los orígenes de las galaxias? La solución es observar muchas galaxias a muchas distancias cósmicas diferentes y, por lo tanto, tiempos retrospectivos (qué tan atrás en el tiempo estamos viendo la galaxia). Si podemos estudiar mil galaxias “bebés” muy distantes cuando el universo tenía mil millones de años, y otras mil galaxias “pequeñas” un poco más cercanas cuando tenía 2 mil millones de años, y así sucesivamente hasta el presente universo de 13.8 mil millones de años de galaxias maduras “adultas” cerca de nosotros hoy en día, entonces tal vez podamos fragmentar juntos una imagen coherente de cómo evoluciona todo el conjunto de galaxias a lo largo del tiempo. Esto nos permite reconstruir la “historia de vida” de las galaxias desde que comenzó el universo, aunque no podamos seguir una sola galaxia desde la infancia hasta la vejez.
Afortunadamente, no faltan galaxias para estudiar. Sostenga su meñique al alcance del brazo: la parte del cielo bloqueada por su uña contiene alrededor de un millón de galaxias, en capas cada vez más atrás en el espacio y el tiempo. De hecho, el cielo está lleno de galaxias, todas ellas, excepto Andrómeda y las Nubes de Magallanes, demasiado débiles para ver a simple vista —más de 100 mil millones de galaxias en el universo observable, cada una con cerca de 100 mil millones de estrellas.
Esta máquina cósmica del tiempo, entonces, nos permite mirar al pasado para responder preguntas fundamentales sobre de dónde vienen las galaxias y cómo llegaron a ser como son hoy. Los astrónomos llaman a esos cambios galácticos sobre la evolución del tiempo cósmico, palabra que recuerda el trabajo de Darwin y otros sobre el desarrollo de la vida en la Tierra. Pero tenga en cuenta que la evolución de galaxias se refiere a los cambios en las galaxias individuales a lo largo del tiempo, mientras que el tipo de evolución que estudian los biólogos son los cambios en generaciones sucesivas de organismos vivos a
Espectros, colores y formas
La astronomía es una de las pocas ciencias en las que todas las mediciones deben realizarse a distancia. Los geólogos pueden tomar muestras de los objetos que están estudiando; los químicos pueden realizar experimentos en sus laboratorios para determinar de qué está hecha una sustancia; los arqueólogos pueden usar la datación por carbono para determinar la antigüedad de algo. Pero los astrónomos no pueden recoger y jugar con una estrella o galaxia. Como hemos visto a lo largo de este libro, si quieren saber de qué están hechas las galaxias y cómo han cambiado a lo largo de la vida del universo, deben decodificar los mensajes llevados por la pequeña cantidad de fotones que llegan a la Tierra.
Afortunadamente (como has aprendido) la radiación electromagnética es una rica fuente de información. La distancia a una galaxia se deriva de su desplazamiento al rojo (cuánto se desplazan las líneas en su espectro al rojo debido a la expansión del universo). La conversión del corrimiento al rojo a una distancia depende de ciertas propiedades del universo, entre ellas el valor de la constante del Hubble y la cantidad de masa que contiene. Describiremos el modelo actualmente aceptado del universo en The Big Bang. Para los efectos de este capítulo, basta con saber que la mejor estimación actual para la edad del universo es de 13.800 millones de años. En ese caso, si vemos un objeto que emitió su luz hace 6 mil millones de años luz, lo estamos viendo como era cuando el universo tenía casi 8 mil millones de años. Si vemos algo que emitió su luz hace 13 mil millones de años, lo estamos viendo como era cuando el universo tenía menos de mil millones de años. Entonces los astrónomos miden el desplazamiento al rojo de una galaxia desde su espectro, usan la constante del Hubble más un modelo del universo para convertir el corrimiento al rojo en una distancia, y usan la distancia y la velocidad constante de la luz para inferir qué tan atrás en el tiempo están viendo la galaxia, el tiempo retrospectivo.
Además de la distancia y el tiempo retrospectivo, los estudios de los desplazamientos Doppler de las líneas espectrales de una galaxia pueden decirnos qué tan rápido está rotando la galaxia y de ahí qué tan masiva es (como se explica en Galaxias). El análisis detallado de tales líneas también puede indicar los tipos de estrellas que habitan una galaxia y si contiene grandes cantidades de materia interestelar.
Desafortunadamente, muchas galaxias son tan débiles que actualmente es imposible recolectar suficiente luz para producir un espectro detallado. Por lo tanto, los astrónomos tienen que usar una guía mucho más áspera para estimar qué tipos de estrellas habitan en las galaxias más débiles, sus colores generales. Vuelva a mirar Figura\(\PageIndex{1}\) y observe que algunas de las galaxias son muy azules y otras son de color naranja rojizo. Ahora recuerda que las estrellas azules calientes y luminosas son muy masivas y tienen vidas de sólo unos pocos millones de años. Si vemos una galaxia donde dominan los colores azules, sabemos que debe tener muchas estrellas azules calientes y luminosas, y esa formación estelar debió haber tenido lugar en los pocos millones de años antes de que la luz saliera de la galaxia. En una galaxia amarilla o roja, por otro lado, las estrellas azules jóvenes y luminosas que seguramente se hicieron en los primeros estallidos de formación estelar de la galaxia debieron haber muerto ya; debe contener en su mayoría estrellas amarillas y rojas viejas que duran mucho tiempo en sus etapas de secuencia principal y por lo tanto típicamente formadas miles de millones de años antes de que se emitiera la luz que ahora vemos.
Otra pista importante de la naturaleza de una galaxia es su forma. Las galaxias espirales se pueden distinguir de las galaxias elípticas por su forma. Las observaciones muestran que las galaxias espirales contienen estrellas jóvenes y grandes cantidades de materia interestelar, mientras que las galaxias elípticas tienen en su mayoría estrellas viejas y muy poca o ninguna formación estelar. Las galaxias elípticas convirtieron la mayor parte de su materia interestelar en estrellas hace muchos miles de millones de años, mientras que la formación estelar ha continuado hasta nuestros días en galaxias espirales.
Si podemos contar el número de galaxias de cada tipo durante cada época del universo, nos ayudará a entender cómo cambia el ritmo de formación estelar con el tiempo. Como veremos más adelante en este capítulo, las galaxias en el universo distante, es decir, las galaxias jóvenes, se ven muy diferentes de las galaxias más antiguas que vemos cerca en el universo actual.
La primera generación de estrellas
Además de mirar las galaxias más distantes que podemos encontrar, los astrónomos miran las estrellas más antiguas (lo que podríamos llamar el registro fósil) de nuestra propia Galaxia para sondear lo que sucedió en el universo primitivo. Dado que las estrellas son la fuente de casi toda la luz emitida por las galaxias, podemos aprender mucho sobre la evolución de las galaxias estudiando las estrellas dentro de ellas. Lo que encontramos es que casi todas las galaxias contienen al menos algunas estrellas muy antiguas. Por ejemplo, nuestra propia Galaxia contiene cúmulos globulares con estrellas que tienen al menos 13 mil millones de años, y algunas pueden ser incluso más antiguas que eso. Por lo tanto, si contamos la edad de la Vía Láctea como la edad de sus constituyentes más antiguos, la Vía Láctea debió haber nacido hace al menos 13 mil millones de años.
Como discutiremos en The Big Bang, los astrónomos han descubierto que el universo se está expandiendo, y han rastreado la expansión hacia atrás en el tiempo. De esta manera, han descubierto que el universo mismo apenas tiene alrededor de 13.800 millones de años. Así, parece que al menos algunas de las estrellas del cúmulo globular de la Vía Láctea debieron haberse formado menos de mil millones de años después de que comenzara la expansión.
Varias otras observaciones también establecen que la formación estelar en el cosmos comenzó muy temprano. Los astrónomos han utilizado espectros para determinar la composición de algunas galaxias elípticas que están tan lejos que la luz que vemos las dejó cuando el universo solo tenía la mitad de viejo que ahora. Sin embargo, estas elípticas contienen viejas estrellas rojas, que debieron haberse formado miles de millones de años antes todavía.
Cuando hacemos modelos informáticos de cómo evolucionan tales galaxias con el tiempo, nos dicen que la formación estelar en galaxias elípticas comenzó menos de mil millones de años más o menos después de que el universo comenzara su expansión, y nuevas estrellas continuaron formándose durante unos pocos miles de millones de años. Pero entonces la formación estelar aparentemente se detuvo. Cuando comparamos galaxias elípticas distantes con otras cercanas, encontramos que las elípticas no han cambiado mucho desde que el universo alcanzó aproximadamente la mitad de su edad actual. Volveremos a esta idea más adelante en el capítulo.
Las observaciones de las galaxias más luminosas nos llevan aún más atrás en el tiempo. Recientemente, como ya hemos señalado, los astrónomos han descubierto algunas galaxias que están tan lejos que la luz que vemos ahora las dejó menos de mil millones de años más o menos después del inicio (Figura\(\PageIndex{2}\)). Sin embargo, los espectros de algunas de estas galaxias ya contienen líneas de elementos pesados, incluyendo carbono, silicio, aluminio y azufre. Estos elementos no estaban presentes cuando comenzó el universo sino que tuvieron que fabricarse en los interiores de las estrellas. Esto significa que cuando se emitía la luz de estas galaxias, toda una generación de estrellas ya había nacido, vivido sus vidas y muerto —arrojando los nuevos elementos hechos en sus interiores a través de explosiones de supernovas— incluso antes de que el universo tuviera mil millones de años. Y no fueron solo unas pocas estrellas en cada galaxia las que se iniciaron de esta manera. Suficiente tuvo que vivir y morir para afectar la composición general de la galaxia, de una manera que todavía podemos medir en el espectro desde muy lejos.
Las observaciones de cuásares (galaxias cuyos centros contienen un agujero negro supermasivo) apoyan esta conclusión. Podemos medir la abundancia de elementos pesados en el gas cerca de los agujeros negros del cuásar (explicados en Galaxias Activas, Cuásares y Agujeros Negros Supermasivos). La composición de este gas en cuásares que emitieron su luz hace 12.5 mil millones de años luz es muy similar a la del Sol. Esto significa que una gran parte del gas que rodea los agujeros negros ya debió haber sido ciclado a través de las estrellas durante los primeros 1.3 mil millones de años después de que comenzara la expansión del universo. Si permitimos tiempo para este ciclismo, entonces sus primeras estrellas debieron haberse formado cuando el universo solo tenía unos cientos de millones de años.
Un universo cambiante de galaxias
Ya en las décadas medias del siglo XX, la observación de que todas las galaxias contienen algunas estrellas viejas llevó a los astrónomos a la hipótesis de que las galaxias nacieron completamente formadas cerca de la época en que el universo comenzó su expansión. Esta hipótesis fue similar a sugerir que los seres humanos nacieron como adultos y no tuvieron que pasar por las diversas etapas de desarrollo desde la infancia hasta la adolescencia. Si esta hipótesis fuera correcta, las galaxias más distantes deberían tener formas y tamaños muy parecidos a las galaxias que vemos cerca. Según esta vieja visión, las galaxias, después de que se formaron, deberían entonces cambiar solo lentamente, a medida que sucesivas generaciones de estrellas dentro de ellas se formaron, evolucionaron y murieron. A medida que la materia interestelar se agotaba lentamente y se formaban menos estrellas nuevas, las galaxias gradualmente se volverían dominadas por estrellas más débiles y viejas y se verían más tenues y atenuadas.
Gracias a la nueva generación de grandes telescopios terrestres y espaciales, ahora sabemos que esta imagen de galaxias evolucionando pacíficamente y aisladas unas de otras es completamente errónea. Como veremos más adelante en este capítulo, las galaxias del universo distante no se parecen a la Vía Láctea y galaxias cercanas como Andrómeda, y la historia de su desarrollo es más compleja e implica mucha más interacción con sus vecinos.
¿Por qué los astrónomos estaban tan equivocados Hasta principios de la década de 1990, la galaxia normal más distante que se había observado emitía su luz hace 8 mil millones de años. Desde entonces, muchas galaxias —y en particular las elípticas gigantes, que son las más luminosas y, por lo tanto, las más fáciles de ver a grandes distancias— evolucionaron pacífica y lentamente. Pero los Hubble, Spitzer, Herschel, Keck y otros potentes telescopios nuevos que han entrado en línea desde la década de 1990 permiten perforar la barrera de 8 mil millones de años luz. Ahora tenemos vistas detalladas de muchos miles de galaxias que emitieron su luz mucho antes (algunas hace más de 13 mil millones de años, ver Figura\(\PageIndex{2}\)).
Gran parte del trabajo reciente sobre la evolución de las galaxias ha progresado al estudiar algunas pequeñas regiones específicas del cielo donde los telescopios Hubble, Spitzer y terrestres han tomado imágenes de exposición extremadamente largas. Esto permitió a los astrónomos detectar galaxias muy débiles, muy distantes y por lo tanto muy jóvenes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Nuestras imágenes de telescopio espacial profundo muestran algunas galaxias que son 100 veces más débiles que los objetos más débiles que se pueden observar espectroscópicamente con los telescopios terrestres gigantes de hoy en día. Esto resulta significar que podemos obtener los espectros necesarios para determinar los desplazamientos al rojo solo para el cinco por ciento más brillante de las galaxias en estas imágenes.
Aunque no tenemos espectros para la mayoría de las débiles galaxias, el Telescopio Espacial Hubble es especialmente adecuado para estudiar sus formas porque las imágenes tomadas en el espacio no son borrosas por la atmósfera de la Tierra. Para sorpresa de los astrónomos, las galaxias distantes no encajaban en absoluto con el esquema de clasificación del Hubble. Recuerde que Hubble encontró que casi todas las galaxias cercanas podían clasificarse en algunas categorías, dependiendo de si eran elípticas o espirales. Las galaxias distantes observadas por el Telescopio Espacial Hubble se ven muy diferentes de las galaxias actuales, sin brazos espirales identificables, discos y bultos (Figura\(\PageIndex{4}\)). También tienden a ser mucho más torpes que la mayoría de las galaxias en la actualidad. En otras palabras, cada vez es más claro que las formas de las galaxias han cambiado significativamente con el tiempo. De hecho, ahora sabemos que el esquema del Hubble funciona bien solo para la última mitad de la edad del universo. Antes de eso, las galaxias eran mucho más caóticas.
No son solo las formas las que son diferentes. Casi todas las galaxias a distancias superiores a 11 mil millones de años luz —es decir, galaxias que estamos viendo cuando tenían menos de 3 mil millones de años— son extremadamente azules, lo que indica que contienen muchas estrellas jóvenes y que la formación estelar en ellas está ocurriendo a un ritmo mayor que en las galaxias cercanas. Las observaciones también muestran que las galaxias muy distantes son sistemáticamente más pequeñas en promedio que las galaxias cercanas. Relativamente pocas galaxias presentes antes de que el universo tuviera alrededor de 8 mil millones de años tienen masas mayores que\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\). Eso es 1/20 la masa de la Vía Láctea si incluimos su halo de materia oscura. Hace once mil millones de años, solo había unas pocas galaxias con masas mayores que\(10^{10}\)\(M_{\text{Sun}}\). Lo que vemos en cambio parecen ser pequeñas piezas o fragmentos de material galáctico (Figura\(\PageIndex{5}\)). Cuando miramos las galaxias que emitieron su luz hace 11 a 12 mil millones de años, ahora creemos que estamos viendo las semillas de galaxias elípticas y de los bultos centrales de las espirales. Con el tiempo, estas galaxias más pequeñas colisionaron y se fusionaron para construir las grandes galaxias actuales.
Ten en cuenta que las estrellas que se formaron hace más de 11 mil millones de años serán hoy estrellas muy viejas. En efecto, cuando miramos cerca (a galaxias que vemos más cerca de nuestro tiempo), encontramos principalmente estrellas viejas en los bultos nucleares de espirales cercanas y en galaxias elípticas.
Lo que nos están mostrando tales observaciones es que las galaxias han crecido en tamaño a medida que el universo ha envejecido. No sólo las galaxias eran más pequeñas hace varios miles de millones de años, sino que había más de ellas; las galaxias ricas en gas, particularmente las menos luminosas, eran mucho más numerosas entonces de lo que son hoy.
Esas son algunas de las observaciones básicas que podemos hacer de galaxias individuales (y su evolución) mirando hacia atrás en el tiempo cósmico. Ahora queremos pasar al contexto más amplio. Si las estrellas se agrupan en galaxias, ¿las galaxias también se agrupan de alguna manera? En la tercera sección de este capítulo, exploraremos las estructuras más grandes conocidas en el universo.
Resumen
Cuando miramos galaxias distantes, estamos mirando hacia atrás en el tiempo. Ahora hemos visto galaxias tal como eran cuando el universo tenía unos 500 millones de años, solo alrededor del cinco por ciento más viejo que ahora. El universo ahora tiene 13.800 millones de años. El color de una galaxia es un indicador de la edad de las estrellas que la pueblan. Las galaxias azules deben contener muchas estrellas calientes, masivas y jóvenes. Las galaxias que contienen solo estrellas viejas tienden a ser de color rojo amarillento. La primera generación de estrellas se formó cuando el universo tenía apenas unos cientos de millones de años. Las galaxias observadas cuando el universo tenía solo unos pocos miles de millones de años tienden a ser más pequeñas que las galaxias actuales, a tener formas más irregulares y a tener una formación estelar más rápida que las galaxias que vemos cerca en el universo actual. Esto demuestra que los fragmentos de galaxias más pequeños se ensamblaron en las galaxias más grandes que vemos hoy en día.
Glosario
- evolución (de galaxias)
- cambios en galaxias individuales a lo largo del tiempo cósmico, inferidos al observar instantáneas de muchas galaxias diferentes en diferentes momentos de sus vidas