El rol de la "red cósmica"

Las estructuras de gran escala del universo y el rol de la "red cósmica" y las simulaciones computacionales para saber cómo crecen y evolucionan las galaxias.

El siguiente artículo es una traducción libre de la nota publicada en NewScientist "How does you galaxy grow?" por E.S. Reich.

Esa nota original, está acompañada de una galería con las diferentes formas de las galaxias y puede encontrarse en:
http://www.newscientist.com/gallery/howdoesmygalaxygrow

Rob Simcoe parece un poco nervioso mientras pesca un globo de un tubo de nitrógeno líquido. "No había hecho esta demostración antes", admite el astrónomo, moviendo el globo sobre la llama de una vela. El globo es la representación de una galaxia. Calentada por la vela, debería expandirse y explotar, tal como se piensa que en el universo primitivo las galaxias producían violentas expulsiones de gas al ser calentadas por las explosivas estrellas.

Pero en el último segundo, Simcoe se descuida. La vela hace un hoyo en un lado del globo. Mientras el olor de goma quemada alcanza la primera fila del salón de conferencias del Instituto Tecnológico de Massachusetts, las risas se expanden. Los astrónomos, indica Simcoe, no realizan usualmente demostraciones de laboratorio.

Eso quisieran. Nos encantaría saber más acerca de las galaxias. Sabemos que hay guarderías de estrellas y admitimos su deslumbrante diversidad: grandes, pequeñas, feroces fábricas estelares y aquietados discos, elegantes remolinos espirales y figuras amorfas. Pero, ¿de dónde surge toda esa diversidad? Las cosas podrían ser diferentes si los astrónomos pudieran probar sus teorías en el laboratorio.

Y pueden, cada vez más. No con globos y velas, ciertamente, pero con el gran poder de cálculo de las supercomputadoras. Junto con observaciones cada vez mejores del universo temprano, las grandes simulaciones están comenzando a pintar una imagen unificada de porqué el universo se ve como lo hace. En su corazón hay un andamio invisible de materia oscura y gas frío en la que los constituyentes visibles del universo se sostienen, una estructura conocida como red cósmica (cosmic web).

Ahora, las simulaciones y observaciones son un dueto que trata de develar el vital rol de esta red. Al parecer es mucho más que una estructura marco. De acuerdo a las últimas ideas, sus filamentos son, de hecho, los cordones umbilicales que proveen a las galaxias con el nutritivo gas que necesitan para crecer.

Ese sería un intrigante giro en la historia de la red cósmica. El concepto de la red surgió a mediados de 1980 como producto de una idea sobre formación de las galaxias, conocida como modelo jerárquico, CDM (materia oscura fría) , propuesto en 1978 por Martin Rees y Simon White, de la Universidad de Cambridge.

El modelo empezó con un universo que se expandió increíblemente rápido luego del big bang, pero no en forma regular. Pequeñas irregularidades en la distribución de la materia creó regiones de mayor densidad en los que "halos" de materia oscura se reunieron con rapidez. Cada uno de éstos creó un profundo pozo gravitacional en el que el gas -principalmente hidrógeno- cayó. El gas se calentó y generó las primeras estrellas.

Estas aglomeraciones de materia, las semillas de las futuras galaxias, eran islas de actividad en un cosmos casi vacío, los nodos de la red cósmica en desarrollo. No eran estáticos precisamente. Atraídos por su mutua gravedad, comenzaron a colisionar y fusionarse violentamente, lo que disparó la formación de estrellas. La formación luego se calmaba hasta que otra fusión alteraba las cosas y creaba un cuerpo todavía mayor. Las variadas galaxias que vemos hoy serían el resultado de esos ciclos de fusión que iban creando cuerpos cada vez mayores.

Esta imagen parecía concordar con las observaciones del universo primitivo. Las mediciones de la radiación de fondo de microondas -una imagen de cuando el universo tenía 300.000 años de vida- confirma esta idea de irregularidades surgiendo de la distribución de materia que propició un sendero para que las pequeñas fluctuaciones de densidad hoy sean las galaxia maduras que observamos.

Pero las grietas comenzaron a aparecer. Una de las mayores se mostró en 2006, cuando el astrónomo Reinhard Genzel y colegas publicaron observaciones de algunas de las más primitivas galaxias con formación estelar con el telescopio VLT en Chile. Ellos utilizaban una nueva técnica llamada espectrocopía de campo integral, que involucra analizar el color de la luz de pequeñas regiones en el cielo 20.000 veces menores que la Luna llena, para revelar si se están moviendo hacia nosotros o si se están alejando. Usado en galaxias distantes, puede revelar algo de su dinámica interna. "En términos de tecnología fue un tremendo avance", dijo Genzel.

Lo que se descubrió fue raro: una galaxia tan lejana que cuando la luz que ahora recibimos se emitió cuando el universo tenía sólo 3 mil millones de años, menos de una cuarta parte de su edad actual. La galaxia era muy brillante. De hecho, estaba formando estrellas con una masa total de unas 100 veces la masa de nuestro Sol, cada año. Y no había signos de alguna violenta colisión. Una conclusión central del modelo jerárquico es que la formación de estrellas ocurre en las galaxias que se están fusionando. Esta galaxia, sin embargo, era un pulcro disco en rotación y no irregular objeto que podría esperarse como resultado de una fusión. (Nature, vol 442, p 786).

No fue la única anomalía de su tipo. Entre 2006 y el presente, Genzel y su equipo recolectaron imágenes de docenas de galaxias más primitivas que parecen plácidas, pero que forman estrellas con vigor. Para estas galaxias, al menos, la imagen de fusiones jerárquicas no es toda la historia. ¿Y entonces?

Las opciones eran limitadas. Las observaciones del fondo cósmico brindaron una imagen clara de fluctuaciones de densidad en el universo temprano que ningún modelo podía ignorar. La idea de halos de materia oscura que crecen y fusionan parecía también incontrovertible: la misteriosa materia oscura y su invisible mano gravitacional es necesaria para mantener las galaxias, ya que de lo contrario la fuerza de su propia rotación las desmembraría.

El único espacio para maniobras yace en lo que pasó con el gas en las formaciones estelares. "Los detalles del gas nunca fueron una base firme como la idea de los halos de materia oscura en fusión", señala Simcoe.

A principios de 2000, Avishai Dekel y Yuval Birnboim, de la Universidad Hebrea en Jerusalem, habían construído simulaciones de computadoras para probar escenarios alternativos. Su idea era que, en vez de estar bajo el dominio de la materia oscura desde el principio, el gas podría haberse acumulado tranquilamente en los halos todo el tiempo.

Los resultados iniciales eran prometedores. Una corriente de gas que cae en un halo de materia oscura podría ser comprimido y conducido eficientemente al centro galáctico en desarrollo, donde podría generar nuevas estrellas. La implicación fue que las fusiones no eran necesarias para que las estrellas nacieran.

Las mayores simulaciones computacionales

En este blog hemos comentado sobre algunas de las mayores simulaciones realizadas para entender la formación galáctica: El proyecto Aquarius y el proyecto Millenium son dos de los mejores ejemplos.

Ver: "Computadores tras el misterio de la materia oscura".

Simulación Millennium Simulation: "El modelo más grande del universo"
http://www.youtube.com/watch?v=W35SYkfdGtw

También contamos sobre BHCosmo sobre agujeros negros y formación galáctica.

¿De dónde provenía el gas? En 2005, Dušan Kereš, del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, en Cambridge, y colegas respondieron. Simularon el movimiento de unas 2 millones de "partículas" representando al gas y materia oscura en 1000 galaxias primitivas. Al comenzar, encontraron que corrientes de gas parecían formarse naturalmente, enlazando una galaxia con la siguiente a través del cercano vacío. Si las galaxias eran los nodos de la red cósmica, estas corrientes eran sus filamentos -como tuberías que se alimentan del gas circundante que permitió a las galaxias formar estrellas de manera uniforme y tranquila a través del tiempo.

En enero de este año, Dekel y colegas removieron la última objeción a su imagen: que esos flujos filamentarios no podían proveer a las galaxias del gas que necesitarían. Publicaron los resultados de una simulación en supercomputadoras involucrando mil millones de partículas de gas y 4 mil millones de partículas de materia oscura que modeló la unión de tres filamentos en la red cósmica. Y encontraron que el gas equivalía a 200 veces la masa del Sol podía fluir a los nodos cada año, suficiente para apoyar la tasa de formación observada en las galaxias jóvenes. (Nature, vol 457, p 451).

Sin las violentas fusiones, se desperdicia menos gas y energía, dejando más para formar estrellas. Tan suave es el proceso que nítidas galaxias se pueden formar en la historia temprana del universo, tal como Genzel y su equipo observaron. Para rematarla, en abril, Bruce Elemgreen de IBM, junto con Frederic Bournaud de la Comisión de Energía Atómica de Francia, mostraron cómo los agrupamientos de materia creados por las inestabilidades gravitacionales en discos alimentados por corrientes de gas frío podía evolucionar a los característicos brazos espirales de muchas galaxias maduras como nuestra Vía Láctea (The Astrophysical Journal, vol 694, p L158).

La nueva imagen no descarta la idea de fusiones completamente. Las fusiones de agrupamientos de materia oscura, se piensa, son importantes tanto para la formación de los halos de materia oscura en primer lugar, y probablemente también para la formación de galaxias mayores. Más de 1 en 10 galaxias son masivas, cuerpos elípticos sin características internas como brazos espirales. Esas galaxias se habrían formado cuando sistemas menores que crecieron por acretar gas de corrientes frías, se fusionaron.

Por esa razón, Dekel describe el nuevo rol de la red cósmica como una generalización, más que una refutación, de la imagen de fusiones. El material que cae a las galaxias a lo largo de filamentos es muchas veces un flujo suave, formando galaxias tipo disco, pero, a veces, incluye grandes aglomeraciones de materia, volviendo al proceso en algo parecido a una fusión.

De acuerdo a los modelos, la acreción de gas frío podría continuar actualmente. En el universo temprano, los filamentos que alimentaban galaxias eran de unos 10.000 años luz de diámetro, 10 veces menores que una galaxia como la nuestra. Pero al expandirse el universo, estas tuberías filamentarias se volvieron más amplias y menos definidas. Eso hace a la acreción fría menos eficiente que lo que fue en el pasado lejano, disminuyendo la tasa de formación de estrellas en galaxias maduras como la nuestra. Hoy, las corrientes frías son menos un diluvio y más bien una gentil lluvia de gas en las galaxias.

Es por eso que nunca se obtuvo ninguna evidencia directa de corrientes frías en nuestro vecindario inmediato. Pero hay otros signos. Los rastros del proceso de acreción fría serían rayos ultravioletas conocidos como radiación Lyman-alfa, emitida cuando el gas cae a las galaxias y las calienta. Desafortunadamente esa radiación es casi completamente absorbida por el polvo en la galaxia y en la atmósfera terrestre, convirtiendo a los fríos flujos cercanos en imposibles de ver desde la Tierra.

Por esa razón, Genzel advierte: "Debemos ser cautelosos para no tener un efecto paradigmático donde todo el mundo cree ver la misma cosa. Nadie ha visto un frío flujo de gas todavía".

Paradójicamente, estos flujos podrían ser más fáciles de observar en galaxias lejanas. La luz de objetos distantes está corrida al rojo por la expansión del universo, por lo que las emisiones originales Lyman-alfa de las galaxias en el universo temprano deben haberse corrido a longitudes de onda visibles que podemos observar.

Abraham Loeb y Mark Kijkstra del Centro Harvard-Smithsonian piensan que ya hemos visto algo así. Apuntan a un descubrimiento de 1998 por Chuck Steidel y colegas, del Instituto de Tecnología de California. Los investigadores encontraron dos enormes "burbujas" de gas emitiendo radiación Lyman-alfa en un momento en que el universo tenía sólo 2 mil millones de años de edad.

Otras burbujas (o "blobs") han sido encontradas en muchas otras galaxias tempranas. Loeb y Dijkstra piensan que son filamentos de la red cósmica (www.arxiv.org/abs/0902.2999). Pero no todo el mundo está de acuerdo. Steidel cuenta que algunos "blobs" son nubes de gas alrededor de cuásares y que éstos últimos serían la fuente de gas, en vez del gas circundante. La idea de filamentos de la red cósmica es, a su criterio, "una noción romántica pero no he visto nada que me convenciera de que es cierto", señaló.

Imágenes de acercamientos de jóvenes galaxias formando estrellas, comparadas con simulaciones computacionales podrían indicar si se está por buen camino. John Salzer de la Universidad Indiana y colegas han encontrado recientemente 15 galaxias cercanas que tienen masas comparables a la Vía Láctea pero que parecen haber comenzado su formación estelar sólo 3 a 4 mil millones de años atrás (The Astrophysical Journal, vol 695, p L67).

Si todas las galaxias se formaron por fusiones, debería haber evidencia de violentas colisiones en esas galaxias. Si, por otro lado, la formación galáctica puede ser conducida por las corrientes frías, las galaxias deberían verse como discos con un suministro de gas de hidrógeno primordial, un filamento de la red cósmica. En ese caso, Salzer especula, esas galaxias comenzaron a formarse en un vacío donde los filamentos estaban relativamente escasos, significando que sólo tomaron forma más tarde.

Hasta ahora, las imágenes de Salzer no tienen la resolución necesaria para establecer las dinámicas internas de las galaxias.

Para la mayoría de los astrónomos, está claro que la imagen general de la formación de galaxias necesita revisión. "En los últimos 4 ó 5 años la imagen ha cambiado significativamente. Ahora las personas están viendo como establecidas en una estructura filamentaria que las nutre", comentó Kereš. Reforzada por las simulaciones, la red cósmica parece ser real y vino para quedarse.

Fuentes y links relacionados

• How does your galaxy grow?, por Eugenie Samuel Reich
• La red cósmica; por Simcoe, Robert A.; Investigación y Ciencia 340 - ENERO 2005
• The Cosmic Web, por Rob Simcoe; Enero 2004 American Scientist
  DOI: 10.1511/2004.1.30 Este es el artículo en la versión en inglés del artículo "La red cósmica" en Investigación y Ciencia. Aquí hay un enlace a un pdf con el artículo completo en español!
• Trazando la red cósmica a partir de su composición química
  Sofía A. Cora;
  Boletín de la Asociación Argentina de Astronomía, vol.47, p.324-335
  NASA ADS
• Estudio de galaxias pone en duda la materia oscura
• Modelos analíticos y numéricos de la formación de galaxias, Simon White
• Simulating the joint evolution of quasars, galaxies and their large-scale distribution; Volker Springel et al; astro-ph/0504097

Sobre las imágenes

• Imagen de la simulación Aquarius Aq-A-1.
• Las simulaciones numéricas muestran la distribución del gas intergaláctico en los filamentos (verde) y vacíos (negro) de la red cósmica.
  Crédito: R. Simcoe
• La red cósmica: Imagen adaptada al español, publicada por NewScientist.

Vía Noticias del Cosmos