28.E: La evolución y distribución de las galaxias (Ejercicios)

Para una mayor exploración

Artículos

Andrews, B. “¿Qué intentan decirnos las galaxias?” Astronomía (febrero de 2011): 24. Introducción a nuestra comprensión de las formas y evolución de diferentes tipos de galaxias.

Barger, A. “La crisis de la mediana edad del cosmos”. Scientific American (enero de 2005): 46. Sobre cómo nuestro tiempo difiere del universo primitivo en términos de lo que están haciendo las galaxias y qué papel juegan los agujeros negros supermasivos.

Berman, B. “El Universo Desaparecido”. Astronomía (abril 2014): 24. Breve revisión de la materia oscura, lo que podría ser, y teorías modificadas de la gravedad que también pueden explicarlo.

Faber, S., et al. “Volviendo al amanecer cósmico”. Sky & Telescope (Junio 2014): 18. Programa para ver las galaxias más lejanas y más tempranas con el Hubble.

Geller, M., & Huchra, J. “Mapeando el Universo”. Sky & Telescope (agosto de 1991): 134. En su proyecto mapeando la ubicación de las galaxias en tres dimensiones.

Hooper, D. “La materia oscura en la era del descubrimiento”. Sky & Telescope (enero 2013): 26. En experimentos que buscan la naturaleza de la materia oscura.

James, C. R. “El campo profundo del Hubble: La imagen vale un billón de estrellas”. Astronomía (Noviembre 2015): 44. Historial detallado y resultados, además del Campo Ultra-Profundo Hubble.

Kaufmann, G., & van den Bosch, F. “El ciclo de vida de las galaxias”. Scientific American (junio de 2002): 46. Sobre la evolución de las galaxias y cómo se desarrollan las diferentes formas de las galaxias.

Knapp, G. “Minando los Cielos: La Encuesta Digital del Cielo de Sloan”. Sky & Telescope (agosto de 1997): 40.

Kron, R., & Butler, S. “Estrellas y tiras para siempre”. Astronomía (febrero de 1999): 48. Sobre la Encuesta Digital de Sloan.

Kruesi, L. “¿Qué sabemos realmente sobre la materia oscura?” Astronomía (noviembre de 2009): 28. Se centra en lo que podría ser la materia oscura y experimenta para averiguarlo.

Larson, R., & Bromm, V. “Las Primeras Estrellas del Universo”. Scientific American (diciembre de 2001): 64. Sobre la edad oscura y el nacimiento de las primeras estrellas.

Nadis, S. “Explorando la Conexión Galaxia-Agujero Negro”. Astronomía (Mayo 2010): 28. Acerca del papel de los agujeros negros masivos en la evolución de las galaxias.

Nadis, S. “Los astrónomos revelan la estructura oculta del universo”. Astronomía (Septiembre 2013): 44. Cuán oscura es la materia el andamio sobre el que descansa el universo visible.

Schilling, G. “Hubble va a la distancia”. Sky & Telescope (enero 2015): 20. Usando lentes gravitacionales con HST para ver las galaxias más distantes.

Strauss, M. “Lectura de los Planos de la Creación”. Scientific American (febrero de 2004): 54. Sobre encuestas a gran escala de galaxias y lo que nos dicen sobre la organización del universo primitivo.

Tytell, D. “Un campo amplio y profundo: Obteniendo el panorama general”. Sky & Telescope (septiembre de 2001): 42. Sobre el levantamiento NOAO de objetos de cielo profundo.

Villard, R. “Cómo la Gran Ilusión de la Gravedad revela el Universo”. Astronomía (enero 2013): 44. Sobre la lente gravitacional y lo que nos enseña.

Sitios web

Ensamblaje de Galaxias: http://jwst.nasa.gov/galaxies.html. Información introductoria de antecedentes sobre galaxias: lo que sabemos y lo que queremos aprender.

Breve Historia de la Lente Gravitacional: www.einstein-online.info/spot... ensing_history. De Einstein OnLine.

Estructuras cósmicas: skyserver.sdss.org/dr1/es/ast... structures.asp. Breve página de revisión sobre cómo se organizan las galaxias, de la Encuesta Sloan.

Descubrimiento de la Primera Lente Gravitacional: astrosociety.org/wp-content/u... /ab2009-33.pdf. Por Ray Weymann, 2009.

Descubrimientos de lentes gravitacionales desde el telescopio espacial Hubble: http://hubblesite.org/newscenter/arc...tational-lens/. Una lista cronológica de comunicados de prensa e imágenes.

Grupo Local de Galaxias: http://www.atlasoftheuniverse.com/localgr.html. Mapa clicable del proyecto Atlas del Universo. Consulte también su página de Virgo Cluster: http://www.atlasoftheuniverse.com/galgrps/vir.html.

RotCurve: burro.astr.cwru.edu/javalab/r... eWeb/main.html. Intente usar datos de curvas de rotación de galaxias reales para medir halos de materia oscura usando esta simulación de applet de Java.

Sitio web de Sloan Digital Sky Survey: http://classic.sdss.org/. Incluye piezas no técnicas y técnicas.

Spyglasses into the Universe: www.spacetelescope.org/scienc... ional_lensing/. Página del Hubble sobre lentes gravitacionales; incluye enlaces a videos.

Cúmulo de Galaxias Virgo: http://messier.seds.org/more/virgo.html. Una página con breve información y enlaces a mapas, imágenes, etc.

Videos

Simulaciones cósmicas: www.tapir.caltech.edu/~phopki... ies_cosmo.html. Hermosos videos con simulaciones por computadora de cómo se forman las galaxias, del grupo FIRE.

Cosmología del Universo Local: http://irfu.cea.fr/cosmography. Vuelo narrado de mapas de galaxias que muestran las regiones más cercanas del universo (17:35).

Lentes gravitacionales: https://www.youtube.com/watch?v=4Z71RtwoOas. Video de Fermilab, con el Dr. Don Lincoln (7:14).

Cómo se cocinaron las galaxias a partir de la sopa primordial: https://www.youtube.com/watch?v=wqNNCm7SNyw. Charla pública 2013 de la Dra. Sandra Faber del Observatorio Lick sobre la evolución de las galaxias; parte de la Serie de Conferencias de Astronomía de Silicon Valley (1:19:33).

El campo profundo extremo del Hubble empuja hacia atrás las fronteras del tiempo y el espacio: https://www.youtube.com/watch?v=gu_VhzhlqGw. Breve video 2012 (2:42).

Mirando profundamente al universo en 3-D: https://www.eso.org/public/videos/eso1507a/. 2015 ESOcast video sobre cómo se utilizan los telescopios Very Large para explorar el Campo Ultra-Profundo del Hubble y aprender más sobre las galaxias más débiles y distantes (5:12).

Simulación Milenio: wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/ga... rgo/milenio. Una supercomputadora en Alemania sigue la evolución de una caja grande representativa a medida que evoluciona el universo.

Películas de volar a través de la estructura local a gran escala: www.ifa.hawaii.edu/~tully/. Por Brent Tully.

Shedding Light on Dark Matter: https://www.youtube.com/watch?v=bZW_B9CC-gI. 2008 Charla TED sobre galaxias y materia oscura de la física Patricia Burchat (17:08).

Sloan Digital Sky Survey resumen películas: astro.uchicago.edu/cosmus/proyectos/sloanmovie/.

Universo Virtual: https://www.youtube.com/watch?v=SY0bKE10ZDM. Un modelo MIT de una sección del universo en evolución, con materia oscura incluida (4:11).

Cuando dos galaxias chocan: www.openculture.com/2009/04/w... s_collide.html. Simulación por computadora, que se detiene en varios puntos y muestra una imagen Hubble de justamente tal sistema en la naturaleza (1:37).

Actividades de Grupo Colaborativo

1. Supongamos que desarrollaste una teoría para dar cuenta de la evolución de la ciudad de Nueva York. Haga que su grupo discuta si se parecería al desarrollo de la estructura en el universo (como lo hemos descrito en este capítulo). ¿Qué elementos de su modelo para NYC se asemejan al modelo de los astrónomos para el crecimiento de la estructura en el universo? ¿Qué elementos no coinciden?
2. La mayoría de los astrónomos creen que la materia oscura existe y es una gran fracción de la materia total en el universo. Al mismo tiempo, la mayoría de los astrónomos no creen que los ovnis sean evidencia de que estamos siendo visitados por extraterrestres de otro mundo. Sin embargo, los astrónomos nunca han visto realmente ni materia oscura ni un OVNI. ¿Por qué crees que una idea es ampliamente aceptada por los científicos y la otra no? ¿Qué idea crees que es más creíble? Dale tu razonamiento.
3. Alguien de su grupo describe las encuestas de corrimiento al rojo de galaxias a un amigo, quien dice que nunca ha oído hablar de un mayor desperdicio de esfuerzo. ¿A quién le importa, pregunta, la estructura a gran escala del universo? ¿Cuál es la reacción de su grupo y qué razones se le ocurren para poner dinero en averiguar cómo está organizado el universo?
4. El líder de un país pequeño pero muy rico está obsesionado con los mapas. Ella ha reunido una fabulosa colección de mapas de la Tierra, ha comprado todos los mapas de otros planetas que los astrónomos han reunido, y ahora quiere encargar el mejor mapa posible de todo el universo. Tu grupo es seleccionado para asesorarla. ¿En qué tipo de instrumentos y encuestas debería invertir para producir un buen mapa del cosmos? Sé lo más específico que puedas.
5. Descargue una imagen de alta resolución de un rico cúmulo de galaxias del Telescopio Espacial Hubble (vea la lista de noticias de lentes gravitacionales en la sección “Para una mayor exploración”). Ve si tu grupo puede trabajar en conjunto para identificar arcos gravitacionales, las imágenes de galaxias de fondo distantes distorsionadas por la masa del cúmulo. ¿Cuántos puedes encontrar? ¿Se pueden identificar múltiples imágenes de la misma galaxia de fondo? (Si alguien del grupo se interesa realmente, existe un proyecto de Ciencia Ciudadana llamado Spacewarps, donde puedes ayudar a los astrónomos a identificar lentes gravitacionales en sus imágenes: https://spacewarps.org. )
6. Te emocionas tanto con la lente gravitacional que comienzas a hablar de ello con un amigo inteligente que aún no ha tomado un curso de astronomía. Después de escucharte, este amigo empieza a preocuparse. Dice: “Si las lentes gravitacionales pueden distorsionar las imágenes de cuásar, a veces creando múltiples, o fantasmas, imágenes del mismo objeto, entonces ¿cómo podemos confiar en que cualquier punto de luz en el cielo sea real? ¡Quizás muchas de las estrellas que vemos son solo imágenes fantasma o imágenes con lentes también!” Haga que su grupo discuta cómo responder. (Pista: Piensa en el camino que la luz de un cuásar tomó en su camino hacia nosotros y el camino que toma la luz de una estrella típica.)
7. El Telescopio de Levantamiento Sinóptico Grande (LSST) de 8.4 metros, actualmente en construcción sobre el Cerro Pachón, una montaña en el norte de Chile, vigilará todo el cielo con su cámara de 3.2 gigapíxeles cada pocos días, buscando objetos transitorios o temporales que hagan una breve aparición en el cielo antes de desvanecerse de la vista, incluidos asteroides y objetos del cinturón de Kuiper en nuestro sistema solar, y supernovas y otros eventos explosivos de alta energía en el universo distante. Cuando esté completamente operativo en algún momento después de 2021, el LSST producirá hasta 30 terabytes de datos cada noche. (Un terabyte es 1000 gigabytes, que es la unidad que probablemente use para calificar la capacidad de su computadora o tarjeta de memoria). Con tu grupo, considera lo que crees que podrían ser algunos desafíos de lidiar con esa cantidad de datos todas las noches de una manera científicamente productiva pero eficiente. ¿Puedes proponer alguna solución a esos retos?
8. Los cuásares son raros ahora pero eran mucho más numerosos cuando el universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. La formación estelar total que tiene lugar en galaxias de todo el universo alcanzó su punto máximo aproximadamente en el mismo desplazamiento al rojo. ¿Su grupo piensa que esto es una coincidencia? ¿Por qué o por qué no?
9. Una forma de ver qué tan bien han penetrado las ideas en astronomía (como las de este capítulo) en la cultura popular es ver si se pueden encontrar palabras astronómicas en el mercado. Una breve búsqueda en la web del término “materia oscura” resulta tanto una marca de café como una marca de “acelerador del crecimiento muscular” con ese nombre. ¿Cuántos otros términos utilizados en este capítulo puede encontrar su grupo en el mundo de los productos? (¿Qué es un tipo realmente popular de celular Android, por ejemplo?)
10. ¿Cuál es tu dirección completa en el universo? Los miembros del grupo deben escribir su dirección completa, con base en la información de este capítulo (y el resto del libro). Después de su código postal y país, es posible que desee agregar continente, planeta, sistema planetario, galaxia, etc. Entonces cada miembro del grupo debe explicar esta dirección a un miembro de la familia o estudiante que no tome astronomía.

Preguntas de revisión

1. ¿En qué se diferencian las galaxias distantes (jóvenes) de las galaxias que vemos hoy en día en el universo?
2. ¿Cuál es la evidencia de que la formación estelar comenzó cuando el universo solo tenía unos cientos de millones de años?
3. Describir la evolución de una galaxia elíptica. ¿En qué se diferencia la evolución de una galaxia espiral de la de una elíptica?
4. Explicar a qué nos referimos cuando llamamos al universo homogéneo e isotrópico. ¿Diría usted que la distribución de los elefantes en la Tierra es homogénea e isotrópica? ¿Por qué?
5. Describir la organización de las galaxias en agrupaciones, desde el Grupo Local hasta los supercúmulos.
6. ¿Cuál es la evidencia de que una gran fracción de la materia en el universo es invisible?
7. Cuando los astrónomos hacen mapas de la estructura del universo en las escalas más grandes, ¿cómo encuentran los supercúmulos de galaxias que se van a organizar?
8. ¿Cómo afecta la presencia de un núcleo galáctico activo en una galaxia de estallido estelar al proceso de estallido estelar?

Preguntas de Pensamiento

1. Describe cómo podrías usar el color de una galaxia para determinar algo sobre qué tipo de estrellas contiene.
2. Supongamos que una galaxia formó estrellas durante unos millones de años y luego se detuvo (y ninguna otra galaxia se fusionó o colisionó con ella). ¿Cuáles serían las estrellas más masivas de la secuencia principal después de 500 millones de años? ¿Después de 10 mil millones de años? ¿Cómo cambiaría el color de la galaxia en este lapso de tiempo? (Consulte Evolución de la Secuencia Principal a Gigantes Rojos.)
3. Dadas las ideas aquí presentadas sobre cómo se forman las galaxias, ¿esperarías encontrar una galaxia elíptica gigante en el Grupo Local? ¿Por qué o por qué no? ¿De hecho hay una elíptica gigante en el Grupo Local?
4. ¿Puede una galaxia elíptica evolucionar en espiral? Explique su respuesta. ¿Puede una espiral convertirse en elíptica? ¿Cómo?
5. Si vemos una doble imagen de un cuásar producido por una lente gravitacional y podemos obtener un espectro de la galaxia que está actuando como lente gravitacional, entonces podemos poner límites a la distancia al cuásar. Explique cómo.
6. El panel izquierdo de la foto en miniatura del Capítulo 27 muestra un cúmulo de galaxias amarillas que produce varias imágenes de galaxias azules a través de lentes gravitacionales. ¿Cuáles son más distantes: las galaxias azules o las galaxias amarillas? La luz en las galaxias proviene de las estrellas. ¿En qué se diferencian las temperaturas de las estrellas que dominan la luz de las galaxias cúmulos de las temperaturas de las estrellas que dominan la luz de la galaxia de lente azul? ¿Qué luz de galaxia está dominada por estrellas jóvenes?
7. Supongamos que se encuentra parado en el centro de una ciudad grande y densamente poblada que es exactamente circular, rodeada por un anillo de suburbios con población de menor densidad, rodeada a su vez por un anillo de tierras de cultivo. De esta ubicación específica, ¿dirías que la distribución poblacional es isotrópica? ¿Homogéneo?
8. Los astrónomos han estado haciendo mapas observando una porción del universo y viendo dónde se encuentran las galaxias dentro de esa porción. Si el universo es isotrópico y homogéneo, ¿por qué necesitan más de una rebanada? Supongamos que ahora quieren hacer que cada rebanada se extienda más lejos en el universo. ¿Qué necesitan hacer?
9. La civilización humana tiene cerca de 10 mil años según lo medido por el desarrollo de la agricultura. Si tu telescopio recoge esta noche luz estelar que lleva 10 mil años viajando, ¿es esa estrella dentro o fuera de nuestra Galaxia Vía Láctea? ¿Es probable que la estrella haya cambiado mucho durante ese tiempo?
10. Dado que solo alrededor del 5% de las galaxias visibles en el Campo Profundo del Hubble son lo suficientemente brillantes como para que los astrónomos puedan estudiar espectroscópicamente, necesitan aprovechar al máximo el otro 95%. Una técnica es usar sus colores y brillos aparentes para tratar de estimar aproximadamente su corrimiento al rojo. ¿Cómo cree que la imprecisión de esta técnica de estimación de corrimiento al rojo (comparada con la medición real del desplazamiento al rojo de un espectro) podría afectar nuestra capacidad para hacer mapas de estructuras a gran escala como los filamentos y vacíos mostrados en la Figura\(28.3.8\) en la Sección 28.3?

Averiguar por ti mismo

1. Usando la información del Ejemplo\(28.3.1\) en la Sección 28.3, ¿cuánto más débil tendrá que ser capaz de medir un objeto para incluir los mismos tipos de galaxias en su segunda encuesta? Recuerda que el brillo de un objeto varía como el cuadrado inverso de la distancia.
2. Usando la información del Ejemplo\(28.3.1\) en la Sección 28.3, si las galaxias se distribuyen homogéneamente, ¿cuántas veces más de ellas esperarías contar con tu segunda encuesta?
3. Usando la información de Ejemplo\(28.3.1\) en la Sección 28.3, ¿cuánto tiempo te llevará hacer tu segunda encuesta?
4. Las galaxias se encuentran en las “paredes” de enormes vacíos; muy pocas galaxias se encuentran en los propios vacíos. El texto dice que la estructura de filamentos y vacíos ha estado presente en el universo desde poco después de que comenzara la expansión hace 13.800 millones de años. En la ciencia, siempre hay que verificar para ver si alguna conclusión se contradice con alguna otra información que tengamos. En este caso, podemos preguntarnos si los vacíos se habrían llenado de galaxias en aproximadamente 14 mil millones de años. Las observaciones muestran que además del movimiento asociado con la expansión del universo, las galaxias en las paredes de los huecos se mueven en direcciones aleatorias a velocidades típicas de 300 km/s, al menos algunas de ellas se moverán hacia los vacíos. ¿Qué tan lejos en el vacío se moverá una galaxia en 14 mil millones de años? ¿Es una hipótesis razonable que los vacíos hayan existido desde hace 14 mil millones de años?
5. Calcular la velocidad, la distancia y el tiempo retrospectivo de las galaxias más distantes en la Figura\(28.3.8\) en la Sección 28.3 usando la constante Hubble dada en este texto y el desplazamiento al rojo dado en el diagrama. Recuerda la fórmula Doppler para la velocidad\(\left( v = c \times \frac{\Delta \lambda}{\lambda} \right)\) y la ley del Hubble (\(v = H \times d\), dónde\(d\) está la distancia a una galaxia). Para estas bajas velocidades, se pueden descuidar los efectos relativistas.
6. Supongamos que la materia oscura se distribuye uniformemente por toda la Vía Láctea, no solo en el halo exterior sino también en todo el bulto y en el disco, donde vive el sistema solar. ¿Cuánta materia oscura esperarías que haya dentro del sistema solar? ¿Esperarías que eso sea fácilmente detectable? Pista: Para el radio del halo de materia oscura de la Vía Láctea, use\(R\) = 300,000 años luz; para el radio del sistema solar, use 100 UA; y comience calculando la relación de los dos volúmenes.
7. La caja simulada de filamentos y supercúmulos de galaxias que se muestra\(28.5.3\) en la Figura en la Sección 28.5 se extiende a través de mil millones Si tuvieras que hacer una maqueta donde esa caja cubriera el núcleo de un campus universitario, digamos 1 km, entonces ¿qué tan grande sería la Galaxia de la Vía Láctea? ¿Qué tan lejos estaría la galaxia de Andrómeda en la maqueta?
8. Los primeros objetos que colapsaron gravitacionalmente después del Big Bang podrían haber sido piezas de galaxias globulares del tamaño de un racimo, con masas alrededor de masas\(10^6\) solares. Supongamos que fusionas dos de esas juntas, luego fusionas dos piezas más grandes, y así sucesivamente, al estilo Lego, hasta llegar a una masa de la Vía Láctea, sobre las masas\(10^{12}\) solares. ¿Cuántas generaciones de fusión tomarían eso y cuántas piezas originales? (Pista: Piense en poderes de 2.)