La evolución de las galaxias en el Universo

Un primer paso para comprender la formación y la evolución de las galaxias.

Un artículo original de Olivier Le Fèvre.
Autor de la traducción: Xavier Civit

Comprender la formación y la evolución de las galaxias es remontarnos a nuestros orígenes más últimos. A lo largo de la vida del Universo, es en las estrellas que pueblan las galaxias, donde se han formado los elementos químicos cada vez más complejos que formaron los planetas en los que por lo menos uno alberga la vida. Una galaxia es una máquina compleja hecha de mil millones de estrellas, de gas y de polvo, interaccionando con su medio ambiente, en encuentros que pueden ser violentos y que puede albergar en su corazón un agujero negro muy masivo .

La historia de la evolución de las galaxias, desde galaxias en cúmulos poco tiempo después del Big bang (izquierda), choques en encuentros violentos (centro), y galaxias con brazos espirales bien formados al final de la evolución (derecha).

© NASA/ESO-LAM

Uno de los mayores retos de la Astrofísica moderna es comprender cuál es la secuencia de la evolución que nos conduce a las galaxias que podemos observar hoy en día, como nuestra galaxia, la Vía Láctea. Importantes medios de observación se utilizan para sondear el Universo y su contenido en galaxias en diferentes épocas. Remontándonos en el tiempo, gracias a la velocidad terminal de la luz, somos en efecto capaces de retroceder más de 13 mil millones de años en la evolución.

La cosmología observacional es un campo fascinante donde la exploración de territorios vírgenes forma parte del día a día de los investigadores. Las cuestiones que se plantean son fundamentales y se refieren a nuestros orígenes: ¿Cómo se formaron las primeras estrellas y las galaxias, cual es la secuencia de la evolución que condujo a galaxias como nuestra Vía láctea, y que produjo finalmente la vida sobre un planeta orbitando alrededor de una estrella fabricada por esta gigantesca máquina universal?

Vivimos años extraordinarios. Por primera vez hemos elaborado un modelo de Universo que da cuenta de lo esencial de las observaciones, basado en la teoría del Big bang. Después de décadas de controversias, parece que tengamos una medida precisa de la edad del Universo con 13,7 mil millones de años, y de su contenido hecho de un 4 % de materia bariónica, los átomos y las moléculas que conocemos bien, (N. del T. Se considera materia bariónica toda forma de materia constituida por bariones y leptones, a excepción de determinados tipos de neutrinos. Es decir, es la materia que forma todo lo que nos rodea y podemos ver, incluidos nosotros mismos), un 22 % de materia oscura, cuyos efectos gravitacionales se hacen sentir imperturbablemente, y un 74 % de energía oscura, parecida a una misteriosa energía del vacío (Figura 2).

Figura 2: composición del Universo, sólo un 4 % bajo la forma de los átomos que conocemos, el 22 % en forma de materia oscura de la que podemos medir sus efectos gravitacionales, y el 74 % restante en forma de una energía misteriosa y oscura.

© futura-sciences

Si introducimos estos ingredientes y algunos otros en una probeta, acelerando el tiempo deberíamos obtener toda la "sopa cósmica" de las estrellas y otras galaxias. Todo podría partir de minúsculas fluctuaciones en la densidad del Universo, después de todas las primeras fases de expansión además de recombinarse. ¡Estas fluctuaciones podemos ahora observarlas en los mapas del fondo de microondas cósmico en el que la temperatura es de 2,7 grados por encima del cero absoluto (cerca de -270 grados centígrados), es el residuo fósil de la explosión primordial predicha exactamente por la teoría del Big bang. Esta temperatura no es uniforme, medimos fluctuaciones ínfimas de temperatura del orden de una cienmilésima de grado.

Figura 3. Cartografía completa del cielo medida en una longitud de onda milimétrica por WMAP que pone en evidencia las fluctuaciones de temperaturas de los restos de la explosión primigenia, auténticos núcleos de condensación a partir de los cuales se formaron las galaxias.

El satélite COBE, y luego WMAP generaron mapas detallados de estas fluctuaciones sobre todo el cielo (Figura 3), y esperamos impacientemente el lanzamiento del satélite europeo Planck para obtener medidas todavía más precisas. Lo increíble es que de estas fluctuaciones de temperatura se puedan extraer los parámetros fundamentales que describen nuestro Universo: su edad, la cantidad de bariones y de materia oscura, la parte correspondiente a esa famosa energía oscura, así como de la época llamada "de reionización".

Cada pequeña fluctuación presente en este mapa que representa el Universo 300 000 años después del Big bang va a evolucionar luego bajo el efecto de la gravedad, y a constituir un halo de materia que crece engullendo a sus vecinos. Es en esa época donde se cree que las primeras estrellas y las galaxias pudieron comenzar a unirse y que su luminosidad pudo disipar los velos de la edad oscura. En cada halo de materia, una parte se condensa a un punto tal que las reacciones termonucleares se ponen en marcha y nacen las primeras estrellas, otra parte importante permanece en forma de materia oscura (que no irradia), asegurando la cohesión del conjunto.

Figura 4: una de los fragmentos del sondeo 2dFGRS realizado midiendo las distancias de más de 250 000 galaxias (puntos azules) en un volumen de más de 1,5 miles de millones de años alrededor nuestro. La distribución de las galaxias en filamentos, cúmulos y otras estructuras complejas es evidente.

(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Las galaxias se unen en grupos y cúmulos, en filamentos, y regiones del Universo quedan vacías, así nace la compleja estructura del Universo observada en los grandes sondeos de galaxias en nuestro vecindario, (sondeo 2dFGRS, figura 4). El devenir del Universo depende de la cantidad de materia presente en el Universo. Las medidas de la expansión del Universo con WMAP, con las balizas que son las Supernovas y con los efectos gravitacionales producidos sobre la propagación de la luz por la materia sobre nuestra línea de visión, indican un universo dominado por el 74 % de energía negra, el 22 % por materia oscura y el 4 % por el conjunto de la materia que nos rodea. ¡Es decir, el 74 % del contenido del Universo nos es totalmente desconocido, tenemos algunas ideas pero ninguna prueba para el 22 %, y nos aplicamos a medir con precisión el conjunto de las estrellas y las galaxias que constituyen el último 4 % esperando obtener informaciones indirectas sobre el 96 % restante!.

Las simulaciones numéricas utilizando los superordenadores más poderosos del mundo hacen las veces de probeta para los aprendices hacedores de Universos. Inyectamos todos los ingredientes que caracterizan el Universo, añadimos la gravitación, los procesos físicos que regulan la formación y la muerte de las estrellas, y las interacciones diversas entre estrellas, gases y polvo. El resultado es asombrosamente preciso, las simulaciones reproducen las observaciones con lujo de detalles. "Millenium run", el mayor simulador actual, está dirigido por el consorcio VIRGO y contiene más de 10 mil millones de partículas que han estado evolucionando en los discos del supercomputador durante varias semanas.

Figura 5: Simulaciones numéricas del Millenium producidas por VIRGO. De izquierda a derecha, las fluctuaciones iniciales se desarrollan en el curso del tiempo bajo el efecto de la gravedad para formar el conjunto de galaxias y del tejido de grandes estructuras observadas hoy; más de 13 mil millones de años han transcurrido entre ambos extremos de esta secuencia.

© Virgo

(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Por eso, por muy espectacular que sean estos resultados para reproducir las grandes líneas (Figuras 5 y 6), están lejos de reproducir el conjunto de las observables y de las numerosas zonas oscuras restantes, en parte porqué los ordenadores no pueden representar cada galaxia sólo a partir de algunas partículas, sino también por nuestra ignorancia sobre los detalles de los fenómenos que rigen la física de las galaxias.

Figura 6: La simulación del Millenium muestra la complejidad de la estructura del Universo. A escalas muy grandes el Universo es uniforme, mientras que escalas del tamaño de cúmulos de galaxias, la distribución de materia no es homogenea.

© VIRGO

(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

¿Es cierto según el escenario teórico sostenido por estas simulaciones que las cosas pasaron así realmente?. La sola respuesta viene de la confrontación sin cesar entre las predicciones de los modelos teóricos y las observaciones. Los observables que fuerzan la evolución de las galaxias principalmente vienen hoy de la observación del fondo cosmológico, es decir las fluctuaciones de densidad presentes justo al principio de la vida del Universo, y de grandes sondeos de galaxias en nuestro vecindario, mostrando el resultado de la evolución de estas fluctuaciones después de más de 13 mil millones de años. ¿Qué ha pasado entre los dos? Las observaciones hasta el día de hoy no son completas.

El cielo que nos rodea visto por el sondeo de Sloan Digital Sky Survey: las posiciones en el Universo de más de 200 000 galaxias.

(pulsar sobre la imagen para ampliarla)

La cartografía del Universo está completa para las galaxias más brillantes que nuestra Vía láctea hasta cerca de 3 mil millones de años en el pasado, con las posiciones de más de 250 000 galaxias medidas. ¿Razones de los 10 mil millones de años restantes?. Los sondeos del Universo son el mayor instrumento de exploración, pero la sensibilidad y la eficacia de los telescopios actuales no permiten medir las posiciones de los mil millones de galaxias en el Universo desde la reionización. Entonces recurrimos a las técnicas de perforación, exploramos conos de Universos más o menos grandes, esperando que sean representativos. En cada cono sondeamos una continuidad de épocas, desde nuestro entorno inmediato, hasta una época definida por la profundidad, la luminosidad de los objetos observados.

Estas galaxias son observadas con un telescopio de 2.5m.

Los astrónomos tienen en efecto el gran privilegio de utilizar una máquina muy perfecta para remontarse en el tiempo, teniendo en cuenta la velocidad de la luz (~300 000km/s), cuanto más lejos están los objetos, la luz que emiten necesita de más tiempo para llegarnos, y entonces los observamos cuando eran más jóvenes. Esta extracción de un patrón permite determinar y comparar las propiedades de las galaxias en diferentes épocas. Evidentemente no son las mismas galaxias, pero si se construyó bien una muestra representativa, sin introducir sesgos en la observación, podemos comparar directamente las propiedades medias de las poblaciones en diferentes épocas y deducir cuál fue su evolución.

Uno de los primeros sondeos realmente representativos fue el Canadá Francia Redshift Survey, donde han sido medidas las distancias de más de 600 galaxias hasta una profundidad de más de la mitad de la edad del Universo, programa que tuve el privilegio de conducir con colegas canadienses y franceses. Por primera vez pusimos en evidencia sin ambigüedades y de modo cuantitativo la evolución de las propiedades de las galaxias: la luminosidad, el contenido en estrellas, la reagrupación en el espacio, evolucionando de modo sustancial. No es una sorpresa, pero es un alivio poder confirmar con los resultados de las observaciones debidamente validadas, lo que se esperaba por los modelos. Ciertos elementos sorprendieron, en particular la fuerte evolución del índice de formación de estrellas medido hasta diez veces más importante, cuando el Universo tenía la mitad de edad actual que ahora.

Figura 8 : La imagen más profunda del cielo capturada por el telescopio espacial Hubble

© NASA

Desde este pionero programa, dos grandes motivaciones empujaron el desarrollo de instrumentos todavía más perfectos: encontrar galaxias siempre más lejos para remontarnos a los primeros objetos que han de aparecer en el Universo en la época de la reionización, y cartografiar grandes volúmenes de Universo en cada época a lo largo de la flecha del tiempo. Traducido en coacciones técnicas para los observatorios, esto implica aumentar la capacidad de los telescopios que capturan flujos luminosos muy débiles y poder medir muchas galaxias. Existe el espectacular telescopio espacial Hubble, que ha capturado las imágenes más profundas del Universo (Figura 8). Durante los doce últimos años una nueva generación de telescopios muy grandes vio la luz, en particular los dos telescopios Keck sobre Mauna Kea en Hawai, ¡cada uno con un espejo colector de 10m de diámetro, y los cuatro telescopios de VLT (Telescopio Muy Grande) del Observatorio Austral Europeo (ESO) en Chile cada uno de un diámetro de 8m.! Recuerdo la emoción qué sentí cuando vi uno de los grandes espejos de 8m en el momento de su pulido por la sociedad Sagem-Reosc, más de 50 metros cuadrados de superficie colectora pulida con una precisión tal, que a la escala de la Tierra las irregularidades del espejo serían sólo algunos centímetros!. Nueva emoción contemplando los 4 telescopios VLT desde la plataforma del Observatorio Paranal, una verdadera catedral de la ciencia, la ventana al Universo.

Figura 9 : Miles de espectros de galaxias muy distantes obtenidos con el instrumento VIMOS del VLT del ESO. Cada espectro contiene la información de la distancia y de la composición de los gases y estrellas de una galaxia, (el encarte a la derecha: aumento de un espectro)

Sólo, un telescopio no es nada, hay que equipar su plano focal con instrumentos cada vez más sofisticados. (Fig.9) Para sondear el Universo, propuse equipar uno de los telescopios de 8m del VLT de un espectrógrafo multi objetos capaz de medir la distancia y las propiedades de varias centenas de galaxias simultáneamente. El instrumento VIMOS, por las siglas de Visible Multi-Object Spectrograph (Espectrógrafo Visible Multi-Objeto) ha sido concebido y realizado con un equipo de ingenieros superdotados, bajo mi responsabilidad. Probablemente el mejor de su categoría, VIMOS explota plenamente el ojo gigantesco del VLT, varias centenas de espectros simultáneos, centenas de horas de observaciones para colocar a la comunidad de astrónomos europeos en una situación de liderazgo mundial en los sondeos del Universo profundo. Hoy varios programas de grandes sondeos están en proceso, un poco a la manera de las muñecas rusas, sondeos que abarcan mucha superficie de cielo pero son poco profundos, unidos a sondeos muy profundos sobre una superficie pequeña .

El sondeo VIMOS VLT Deep Survey que conduzco con un equipo de más de 30 investigadores, estudiantes y post-doctorados, reúne informaciones de distancia sobre más de 100 000 galaxias, en varios conos que cubren más de 90 % de la evolución del Universo. Hemos mostrado cómo las galaxias evolucionan distintamente según su luminosidad o su tipo elíptico, espiral o irregular. Ciertos resultados son particularmente espectaculares. Demostramos que importantes efectos del entorno generan la forma de las galaxias, con las galaxias elípticas preferentemente en las regiones más densas, relación que no es innata sino que se construye con el curso del tiempo. De modo sorprendente, encontramos galaxias en el Universo muy distante, 1 a 2 mil millones de años después del Big bang, que suponían sondeos precedentes.

Figura 10: galaxias muy distantes identificadas por el sondeo VVDS (rodeadas), en número más importante que lo que se suponía anteriormente.

© CFHT-LS

Mostramos que esto era debido probablemente a un sesgo observacional importante de estos sondeos, y que el Universo era capaz pues de formar estrellas en galaxias masivas que es lo que se suponía hasta ahora (Fig. 10). Numerosos resultados están siendo producidos por este sondeo VVDS, así como por otros sondeos complementarios conducidos en particular por el equipo DEEP2 sobre el telescopio Keck.

¿Que nos reserva el futuro?. La carrera de la instrumentación continúa. Estamos en una fase sin precedentes en la historia de la astrofísica, casi todos los campos de longitud de onda son accesibles a la observación, desde las ondas de radio, hasta rayos X, pasando por el campo visible y próximo infrarrojo. Varios nuevos observatorios verán la luz en los próximos años. ALMA es una gran red de antenas sensibles al brillo sub-milimétrico para ver las primeras estrellas enterradas en sus capullos de polvo incluso en galaxias muy distantes.

Figura 11 : El futuro telescopio espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto en el 2014. Con un diámetro de más de 6 metros, equipado con una cámara y un espectrógrafo infrarrojo, deberá permitir observar las primeras galaxias que se formaron en el universo.

El telescopio espacial James Webb (Figura 11) va a suceder al telescopio Hubble: con un espejo de más de 6m. de diámetro en el espacio, sensibilidad a los infrarrojos, y un espectrógrafo multiobjeto, el campo de la astronomía va a ser revolucionado de nuevo permitiendo seguir el brillo desplazado hacia el rojo de las galaxias justo después o durante la reionización, en redshifts (desplazamiento al rojo) de 10, 15 o más. A más largo plazo, la construcción de una nueva generación de telescopios en el suelo, con diámetros colectores gigantescos que alcancen de 30 a 50 metros, va a ser lanzada. El poder colector es tal, que se espera poder observar detalladamente el génesis de las primeras galaxias.

Crédito de las imágenes: NASA. ESO-LAM. futura-sciences. Sloan Digital Sky Survey. VIRGO. CFHT-LS.

Autor de la traducción: Xavier Civit

Enlace original: AQUÍ.

astroseti