28.2: Fusiones Galácticas y Núcleos Galácticos Activos

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Explicar cómo crecen las galaxias fusionándose con otras galaxias y consumiendo galaxias más pequeñas (para el almuerzo)
• Describir los efectos que los agujeros negros supermasivos en los centros de la mayoría de las galaxias tienen sobre el destino de sus galaxias anfitrionas

Una de las conclusiones que los astrónomos han llegado al estudiar galaxias distantes es que las colisiones y fusiones de galaxias enteras juegan un papel crucial en la determinación de cómo las galaxias adquirieron las formas y tamaños que vemos hoy en día. Solo unas pocas de las galaxias cercanas están actualmente involucradas en colisiones, pero estudios detallados de esas nos dicen qué buscar cuando buscamos evidencias de fusiones en galaxias muy distantes y muy débiles. Estos a su vez nos dan pistas importantes sobre los diferentes caminos evolutivos que las galaxias han tomado sobre el tiempo cósmico. Examinemos con más detalle qué sucede cuando dos galaxias chocan.

Fusiones y canibalismo

La foto en miniatura del capítulo muestra una vista dinámica de dos galaxias que están colisionando. Las estrellas mismas en este par de galaxias no se verán muy afectadas por este evento cataclísmico. (Vea el cuadro de características Básicos de astronomía Por qué las galaxias chocan pero las estrellas rara vez lo hacen a continuación). Dado que hay mucho espacio entre las estrellas, es muy poco probable una colisión directa entre dos estrellas. Sin embargo, las órbitas de muchas de las estrellas cambiarán a medida que las dos galaxias se muevan una a través de la otra, y el cambio en las órbitas puede alterar totalmente la apariencia de las galaxias que interactúan. En la Figura se muestra una galería de interesantes galaxias colisionantes\(\PageIndex{1}\). Grandes anillos, enormes zarcillos de estrellas y gas, y otras estructuras complejas se pueden formar en tales colisiones cósmicas. En efecto, estas extrañas formas son las señales que utilizan los astrónomos para identificar galaxias colisionantes.

Figura\(\PageIndex{1}\): Galería de Galaxias Interactivas. (a y b) M82 (galaxia más pequeña en la parte superior) y M83 (espiral) se ven (a) en una imagen de luz visible en blanco y negro y (b) en ondas de radio emanadas por gas hidrógeno frío. La imagen de hidrógeno muestra que las dos galaxias están envueltas en una cubierta común de gas que está siendo arrastrada y estirada por la gravedad de las dos galaxias. (c) Esta vista en primer plano del Telescopio Espacial Hubble muestra algunos de los efectos de esta interacción en la galaxia M82, incluyendo el flujo de gas hacia afuera (zarcillos rojos) impulsado por explosiones de supernovas de estrellas masivas formadas en el estallido de formación estelar que fue resultado de la colisión. d) Galaxia UGC 10214 (“El renacuajo”) es una galaxia espiral barrada a 420 millones de años luz de la Vía Láctea que ha sido interrumpida por el paso de una galaxia más pequeña. La gravedad del intruso sacó la larga cola de marea, que tiene unos 280.000 años luz de largo, y desencadenó estallidos de formación estelar vistos como grupos azules a lo largo de la cola. e) Las galaxias NGC 4676 A y B reciben el apodo de “Los ratones”. En esta imagen del Telescopio Espacial Hubble, se pueden ver las largas y estrechas colas de estrellas alejadas de las galaxias por las interacciones de las dos espirales. e) Arp 148 es un par de galaxias que quedan atrapadas en el acto de fusionarse para convertirse en una nueva galaxia. Los dos parecen haber pasado ya una vez el uno por el otro, provocando una onda de choque que la reformó en un anillo azul brillante de formación estelar, como las ondas de una piedra arrojada a un estanque.

por qué las galaxias chocan pero las estrellas rara vez lo hacen

A lo largo de este libro hemos enfatizado las grandes distancias entre objetos en el espacio. Por lo tanto, podría haberse sorprendido al escuchar sobre colisiones entre galaxias. Sin embargo (excepto en los mismos núcleos de galaxias) no nos hemos preocupado en absoluto de que las estrellas dentro de una galaxia choquen entre sí. Veamos por qué hay una diferencia.

La razón es que las estrellas son lastimosamente pequeñas en comparación con las distancias entre ellas. Usemos nuestro Sol como ejemplo. El Sol tiene aproximadamente 1.4 millones de kilómetros de ancho, pero está separado de la otra estrella más cercana por unos 4 años luz, o unos 38 billones de kilómetros. Es decir, el Sol está a 27 millones de diámetros propios de su vecino más cercano. Si el Sol fuera una toronja en la ciudad de Nueva York, la estrella más cercana sería otra toronja en San Francisco. Esto es típico de estrellas que no se encuentran en el bulto nuclear de una galaxia o dentro de cúmulos estelares. Contrastemos esto con la separación de galaxias.

El disco visible de la Vía Láctea tiene alrededor de 100.000 años-luz de diámetro. Tenemos tres galaxias satélites que están a solo uno o dos diámetros de la Vía Láctea de distancia de nosotros (y probablemente algún día chocarán con nosotros). La espiral mayor más cercana es la Galaxia de Andrómeda (M31), a unos 2.4 millones de años luz de distancia. Si la Vía Láctea fuera un panqueque en un extremo de una gran mesa de desayuno, M31 sería otro panqueque en el otro extremo de la misma mesa. Nuestro vecino de galaxias grandes más cercano está a solo 24 de los diámetros de nuestra Galaxia de nosotros, y comenzará a chocar contra la Vía Láctea en unos 4.5 mil millones de años.

Las galaxias en cúmulos ricos están aún más juntas que las de nuestro vecindario (ver La distribución de galaxias en el espacio). Así, las posibilidades de que las galaxias colisionen son mucho mayores que las posibilidades de que las estrellas en el disco de una galaxia colisionen. Y hay que señalar que la diferencia entre la separación de galaxias y estrellas también significa que cuando las galaxias chocan, sus estrellas casi siempre pasan unas junto a otras como el humo que pasa por una puerta de pantalla.

Los detalles de las colisiones de galaxias son complejos, y el proceso puede llevar cientos de millones de años. Así, las colisiones se simulan mejor en una computadora (Figura\(\PageIndex{2}\)), donde los astrónomos pueden calcular las interacciones lentas de las estrellas, y las nubes de gas y polvo, vía gravedad. Estos cálculos muestran que si la colisión es lenta, las galaxias colisionantes pueden fusionarse para formar una sola galaxia.

Figura\(\PageIndex{2}\): Simulación por computadora de una colisión de galaxias. Esta simulación por computadora comienza con la fusión de dos galaxias espirales y termina con una sola galaxia elíptica. Los colores muestran los colores de las estrellas en el sistema; observe las ráfagas de color azul a medida que la copiosa formación estelar se desencadena por la interacción. La escala de tiempo de principio a fin en esta secuencia es de alrededor de mil millones de años.

Cuando dos galaxias de igual tamaño están involucradas en una colisión, llamamos a tal interacción una fusión (el término aplicado en el mundo empresarial a dos empresas iguales que unen fuerzas). Pero las galaxias pequeñas también pueden ser tragadas por otras más grandes, un proceso que los astrónomos han llamado, con cierto gusto, al canibalismo galáctico (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Las computadoras personales modernas son lo suficientemente poderosas como para calcular lo que sucede cuando las galaxias chocan. Aquí hay un sitio web y un applet de Java que te permitirán probar tu propia mano al chocar dos galaxias espirales desde la comodidad de tu propia casa o dormitorio. Al cambiar algunos controles básicos como las masas relativas, su separación y la orientación del disco de cada galaxia, puede crear una amplia gama de resultados de fusión resultantes. (También puedes descargar una app similar para tu iPhone o iPad).

Figura\(\PageIndex{3}\): Canibalismo Galáctico. (a) Esta imagen del Hubble muestra la inquietante silueta de nubes de polvo oscuras contra el núcleo resplandeciente de la galaxia elíptica NGC 1316. Las galaxias elípticas normalmente contienen muy poco polvo. Estas nubes son probablemente el remanente de una pequeña galaxia compañera que fue canibalizada (comida) por NGC 1316 hace unos 100 millones de años. b) La galaxia altamente perturbada NGC 6240, fotografiada por el Telescopio Espacial Hubble (imagen de fondo) y el Telescopio de Rayos X Chandra (ambos insertos) es aparentemente el producto de una fusión entre dos galaxias espirales ricas en gas. Las imágenes de rayos X muestran que no hay uno sino dos núcleos, ambos brillando intensamente en los rayos X y separados por solo 4000 años luz. Estas son probablemente las ubicaciones de dos agujeros negros supermasivos que habitaron los núcleos de las dos galaxias antes de la fusión; aquí están participando en una especie de “espiral de muerte”, en la que los dos agujeros negros mismos se fusionarán para convertirse en uno solo.

Las galaxias elípticas muy grandes que discutimos en Galaxias probablemente se forman canibalizando una variedad de galaxias más pequeñas en sus cúmulos. Estas galaxias “monstruosas” frecuentemente poseen más de un núcleo y probablemente han adquirido sus luminosidades inusualmente altas al tragar galaxias cercanas. Los múltiples núcleos son los remanentes de sus víctimas (Figura\(\PageIndex{3}\)). Muchas de las galaxias grandes y peculiares que observamos también deben sus formas caóticas a interacciones pasadas. Las colisiones y fusiones lentas pueden incluso transformar dos o más galaxias espirales en una sola galaxia elíptica.

Un cambio de forma no es todo lo que sucede cuando las galaxias chocan. Si alguna galaxia contiene materia interestelar, la colisión puede comprimir el gas y desencadenar un aumento en la velocidad a la que se forman las estrellas, hasta en un factor de 100. Los astrónomos llaman a este aumento abrupto en el número de estrellas que se forman un estallido estelar, y las galaxias en las que ocurre el aumento se denominan galaxias estelares (Figura\(\PageIndex{4}\)). En algunas galaxias que interactúan, la formación estelar es tan intensa que todo el gas disponible se agota en solo unos pocos millones de años; el estallido de formación estelar es claramente sólo un fenómeno temporal. Mientras se produce un estallido estelar, sin embargo, la galaxia donde se desarrolla se vuelve mucho más brillante y mucho más fácil de detectar a grandes distancias.

Figura\(\PageIndex{4}\): Starburst Asociado a Galaxias Colisionantes. (a) Tres de las galaxias del pequeño grupo conocido como Quinteto de Stephan están interactuando gravitacionalmente entre sí (la galaxia en la parte superior izquierda en realidad está mucho más cerca que las otras tres y no forma parte de esta interacción), dando como resultado las formas distorsionadas que se ven aquí. Largas cadenas de estrellas azules jóvenes y masivas y cientos de regiones de formación estelar que brillan bajo la luz rosa del gas hidrógeno excitado también son resultados de la interacción. Las edades de los cúmulos estelares oscilan entre los 2 millones y los mil millones de años, lo que sugiere que ha habido varias colisiones diferentes dentro de este grupo de galaxias, cada una conduciendo a estallidos de formación estelar. Los tres miembros que interactúan del Quinteto de Stephan se encuentran a una distancia de 270 millones de años luz. (b) La mayoría de las galaxias forman nuevas estrellas a un ritmo bastante lento, pero los miembros de una clase rara conocida como galaxias estelares arden con una formación estelar extremadamente activa. La galaxia II Zw 096 es una de esas galaxias de estallido estelar, y esta imagen combinada que utiliza datos del Telescopio Espacial Hubble y Spitzer muestra que está formando cúmulos brillantes de nuevas estrellas a un ritmo prodigioso. Los colores azules muestran las galaxias fusionadas en luz visible, mientras que los colores rojos muestran la radiación infrarroja de la región polvorienta donde se está produciendo la formación estelar. Esta galaxia se encuentra a una distancia de 500 millones de años luz y tiene un diámetro de aproximadamente 50,000 años luz, aproximadamente la mitad del tamaño de la Vía Láctea.

Cuando los astrónomos finalmente tuvieron las herramientas para examinar un número significativo de galaxias que emitieron su luz hace 11 a 12 mil millones de años, encontraron que estas galaxias muy jóvenes a menudo se asemejan a galaxias estelares cercanas que están involucradas en fusiones: también tienen múltiples núcleos y formas peculiares, son generalmente más torpes que las galaxias normales hoy en día, con múltiples nudos intensos y grumos de luz estelar brillante, y tienen mayores tasas de formación estelar que las galaxias aisladas. También contienen muchas estrellas azules, jóvenes, tipo O y B, al igual que las galaxias que se fusionan cercanas.

Las fusiones de galaxias en el universo actual son raras. Solo alrededor del cinco por ciento de las galaxias cercanas están actualmente involucradas en interacciones. Las interacciones eran mucho más comunes hace miles de millones de años (Figura\(\PageIndex{5}\)) y ayudaron a construir las galaxias “más maduras” que vemos en nuestro tiempo. Claramente, las interacciones de las galaxias han jugado un papel crucial en su evolución.

Figura\(\PageIndex{5}\): Colisiones de Galaxias en un Cúmulo Distante. La imagen grande de la izquierda muestra la imagen del Telescopio Espacial Hubble de un cúmulo de galaxias a una distancia de aproximadamente 8 mil millones de años luz. Entre las 81 galaxias del cúmulo que han sido examinadas con cierto detalle, 13 son el resultado de recientes colisiones de pares de galaxias. Las ocho imágenes más pequeñas de la derecha son primeros planos de algunas de las galaxias colisionantes. El proceso de fusión suele tardar mil millones de años más o menos.

Núcleos Galácticos Activos y Evolución Galáctica

Si bien las fusiones de galaxias son eventos enormes y llamativos que remodelan completamente galaxias enteras en escalas de cientos de miles de años luz y pueden provocar estallidos masivos de formación estelar, la acumulación de agujeros negros dentro de las galaxias también puede perturbar y alterar la evolución de sus galaxias anfitrionas. Aprendiste en Galaxias Activas, Cuásares y Agujeros Negros Supermasivos sobre una familia de objetos conocidos como núcleos galácticos activos (AGN), todos ellos impulsados por agujeros negros supermasivos. Si el agujero negro está rodeado por suficiente gas, parte del gas puede caer en el agujero negro, siendo arrastrado en el camino hacia un disco de acreción, una vorágine compacta y arremolinada quizás de solo 100 UA de ancho (el tamaño de nuestro sistema solar).

Dentro del disco el gas se calienta hasta que brilla brillantemente incluso en rayos X, a menudo eclipsando al resto de la galaxia anfitriona con sus miles de millones de estrellas. Los agujeros negros supermasivos y sus discos de acreción pueden ser lugares violentos y poderosos, con algo de material siendo succionado por el agujero negro pero aún más siendo disparado a lo largo de enormes chorros perpendiculares al disco. Estos poderosos chorros pueden extenderse lejos del borde estrellado de la galaxia.

Los AGN fueron mucho más comunes en el universo temprano, en parte porque las fusiones frecuentes proporcionaban un suministro de gas fresco para los discos de acreción de agujeros negros. Ejemplos de AGN en el universo cercano hoy incluyen el de la galaxia M87 (ver Figura\(\PageIndex{1}\), que luce un chorro de material que sale disparando desde su núcleo a velocidades cercanas a la de la luz, y el de la galaxia brillante NGC 5128, también conocida como Centauro A (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Vista Compuesta del Galaxia Centaurus A. Esta imagen coloreada artificialmente se realizó utilizando datos de tres telescopios diferentes: la radiación submilimétrica con una longitud de onda de 870 micras se muestra en naranja; los rayos X se ven en azul; y la luz visible de las estrellas se muestra en su color natural. Centaurus A tiene un núcleo galáctico activo que está alimentando dos chorros, vistos en azul y naranja, llegando en direcciones opuestas muy fuera del disco estelar de la galaxia, e inflando dos enormes lóbulos, o nubes, de gas caliente que emite rayos X. Centaurus se encuentra a una distancia de 13 millones de años luz, lo que la convierte en una de las galaxias activas más cercanas que conocemos.

Muchas partículas altamente aceleradas se mueven con los chorros en tales galaxias. En el camino, las partículas en los chorros pueden arar en nubes de gas en el medio interestelar, separándolas y dispersándolas. Dado que se requieren nubes más densas de gas y polvo para que el material se agrupe para formar estrellas, la interrupción de las nubes puede detener la formación de estrellas en la galaxia anfitriona o cortarla incluso antes de que comience.

De esta manera, los cuásares y otros tipos de AGN pueden jugar un papel crucial en la evolución de sus galaxias. Por ejemplo, cada vez hay más pruebas de que la fusión de dos galaxias ricas en gas no sólo produce un enorme estallido de formación estelar, sino que también desencadena la actividad AGN en el núcleo de la nueva galaxia. Esa actividad, a su vez, podría frenar o apagar el estallido de formación estelar, lo que podría tener implicaciones significativas para la aparente forma, brillo, contenido químico y componentes estelares de toda la galaxia. Los astrónomos se refieren a ese proceso como retroalimentación AGN, y aparentemente es un factor importante en la evolución de la mayoría de las galaxias.

Resumen

Cuando galaxias de tamaño comparable chocan y se fusionan lo llamamos fusión, pero cuando una galaxia pequeña es tragada por una mucho más grande, usamos el término canibalismo galáctico. Las colisiones juegan un papel importante en la evolución de las galaxias. Si la colisión involucra al menos una galaxia rica en materia interestelar, la compresión resultante del gas dará como resultado un estallido de formación estelar, conduciendo a una galaxia estelar. Las fusiones eran mucho más comunes cuando el universo era joven, y muchas de las galaxias más distantes que vemos son galaxias starburst que están involucradas en colisiones. Los núcleos galácticos activos impulsados por agujeros negros supermasivos en los centros de la mayoría de las galaxias pueden tener efectos importantes en la galaxia anfitriona, incluido el cierre de la formación estelar.

Glosario

canibalismo galáctico

un proceso por el cual una galaxia más grande quita material o se traga completamente una más pequeña

fusión

una colisión entre galaxias (de tamaño aproximadamente comparable) que se combinan para formar una sola nueva estructura

starburst

una galaxia o fusión de múltiples galaxias que convierte el gas en estrellas mucho más rápido de lo habitual