Los investigadores han reconstruido lo que encontrarían los astrónomos extraterrestres que observaran nuestra galaxia, la Vía Láctea, si analizaran la composición química de nuestra galaxia natal. El estudio, dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía, es relevante para nuestra propia comprensión del cosmos: permite un nuevo tipo de comparación entre nuestra galaxia natal y las muchas galaxias distantes que observamos desde el exterior. Los resultados proporcionan parte de la respuesta a la vieja pregunta de si nuestra galaxia natal es especial: al menos en lo que respecta a la composición química, la Vía Láctea es inusual, pero no única.
Vemos galaxias distantes desde el exterior: las observaciones del telescopio nos muestran la forma de una galaxia y su espectro (la descomposición en forma de arco iris de la luz de una galaxia). Entonces, ¿cómo se vería nuestra propia galaxia desde esa perspectiva, para un astrónomo alienígena distante? Esa es una pregunta engañosamente simple. Después de todo, los astrónomos aquí en la Tierra han ideado formas bastante ingeniosas de deducir las propiedades de una galaxia a partir de lo que observamos, y es probable que los astrónomos alienígenas tengan una visión igualmente sofisticada de la Vía Láctea.
Para los métodos de análisis más sofisticados, no es nada fácil saber qué encontrarían los astrónomos alienígenas si aplicaran esos métodos a nuestra galaxia natal. Pero la recompensa puede ser considerable. Jianhui Lian (Instituto Max Planck de Astronomía y Universidad de Yunnan), el autor principal del estudio que ahora se ha publicado en Nature Astronomy, dice: “Encontrar formas de comparar nuestra galaxia natal con galaxias más distantes es lo que necesitamos si queremos saber si la Vía Láctea es especial o no. Esta ha sido una pregunta abierta desde que los astrónomos se dieron cuenta hace cien años de que la Vía Láctea no es la única galaxia en el universo”.
Grandes avances para datos y simulaciones
Por antigua que sea la pregunta, parece que la astronomía está en este momento en una buena posición para encontrar una respuesta sólida. Por un lado, en la última década más o menos, ha habido un tremendo progreso en los estudios sistemáticos de nuestra galaxia natal. Ha habido encuestas, como APOGEE, que brindan información sobre la composición química, las propiedades físicas y los movimientos 3D de millones de estrellas individuales en nuestra Vía Láctea deducidos de sus espectros. La nave espacial Gaia de la ESA ha rastreado el brillo, el movimiento y la distancia de casi 1500 millones de estrellas en nuestra galaxia.
También hay muchos más y mejores datos para galaxias distantes. El sondeo MaNGA estudió en profundidad casi 10.000 galaxias. Donde las encuestas anteriores dirigidas a muchas galaxias solo proporcionarían un espectro general por galaxia, MaNGA pinta una “imagen espectral” que muestra cómo, por ejemplo, la composición química de cada galaxia varía desde el centro hasta las regiones exteriores.
Por último, pero no menos importante, ahora existen simulaciones modernas de formación y evolución de galaxias, como la simulación TNG50 que sigue la historia de miles de galaxias en un universo modelo desde después del Big Bang hasta la actualidad. Todos estos desarrollos fueron necesarios para que predijéramos lo que verían los astrónomos alienígenas mientras apuntaban sus telescopios hacia la Vía Láctea e intentaban reconstruir la composición química de la galaxia.
Astrónomos extraterrestres que adivinan
Esto es justo lo que hizo un nuevo estudio dirigido por Lian y Maria Bergemann (Instituto Max Planck de Astronomía). Específicamente, Lian, Bergemann y sus colegas consideraron la composición química de las estrellas. Las estrellas que vemos a nuestro alrededor consisten principalmente en hidrógeno y helio, pero hay algunos elementos más pesados que el helio, elementos que, en astronomía (¡pero no en química ordinaria!) se denominan “metales”.
Algunos de estos metales se producen dentro de las estrellas y se lanzan al espacio cuando las estrellas masivas explotan al final de sus vidas. Otros se producen en las capas exteriores de estrellas gigantes hinchadas y se establecen para salir al espacio desde allí. Y lo más importante, hay una tendencia general: la concentración de metales en el medio interestelar, la mezcla de gas y polvo de baja densidad que llena el espacio entre las estrellas, aumenta con el tiempo. Las estrellas que nacieron antes contienen menos metales, las estrellas nacidas más tarde contienen más. Mapear qué regiones de una galaxia tiene estrellas con menos o más metales te dice qué región formó sus estrellas antes y qué región después.
De la cosmología local a una perspectiva alienígena
Nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, es actualmente la única galaxia espiral en la que podemos realizar directamente un estudio a gran escala de estrellas individuales: medir sus posiciones dentro de nuestra galaxia y, a través de su espectro, su contenido de metal, la temperatura de la superficie y otros datos físicos. propiedades. Lian, Bergemann y sus colegas se propusieron reconstruir lo que verían los astrónomos extraterrestres si tuvieran que mapear la prevalencia de los metales en la Vía Láctea. Dado que nuestra galaxia de origen es una galaxia de disco, la pregunta clave es: ¿Cómo vería un astrónomo alienígena distante que la abundancia de metales varía según la distancia de una región desde el centro de nuestra galaxia?
Este tipo de reconstrucción requiere trabajo. Los datos de la encuesta APOGEE fueron solo el punto de partida. A continuación, los investigadores debían tener en cuenta el hecho de que, desde la Tierra, tenemos una vista “borrosa” de la Vía Láctea: en algunas direcciones, habrá más polvo entre nosotros y las estrellas más distantes, atenuando la luz de la estrella y ocultando parte de la misma. las estrellas más tenues juntas. En otras direcciones habrá menos polvo. Los investigadores necesitaban combinar los datos de observación con lo que sabemos sobre el polvo y las propiedades de las estrellas para reconstruir la distribución real de estrellas en nuestra galaxia.
El ‘cinturón’ de alta metalicidad de nuestra galaxia
Los resultados fueron algo sorprendentes. Si rastrea el contenido promedio de metal de las estrellas desde el centro de la galaxia hacia afuera, aumentará, alcanzando un contenido de metal cercano al de nuestro sol a una distancia de aproximadamente 23,000 años luz del centro. (A modo de comparación: nuestro sol está a unos 26 000 años luz del centro galáctico). A una distancia aún mayor, el contenido medio de metales vuelve a bajar, cayendo a aproximadamente un tercio del valor solar a unos 50 000 años luz del centro galáctico. centro.
Para comprender lo que estaba sucediendo, los investigadores observaron por separado estrellas de diferentes grupos de edad: los espectros de APOGEE permiten al menos una estimación aproximada de la edad estelar. Al observar a las estrellas más jóvenes y mayores por separado, descubrieron que cada grupo de edad básicamente seguía una tendencia ininterrumpida con un mayor contenido de metal más cerca del centro y un contenido más bajo más lejos. El aumento y el máximo de la distribución general se debió únicamente a que las estrellas más viejas (con un contenido de metal mucho más bajo) eran más abundantes cerca del centro galáctico y, por lo tanto, redujeron el promedio general, pero las estrellas más jóvenes se volvieron más frecuentes más lejos.
Comparando nuestra Vía Láctea con otras galaxias
Lian, Bergemann y sus colegas compararon este interesante resultado con las propiedades de otras galaxias. Por un lado, consideraron 321 galaxias en el sondeo MaNGA, todas las cuales tienen masas similares a la Vía Láctea, producen cantidades similares de estrellas y todas son visibles de frente, por lo que se pudo medir el cambio de metalicidad promedio. Por otro lado, los investigadores utilizaron los mismos criterios para identificar 134 galaxias similares a la Vía Láctea en el universo modelo de la simulación TNG50.
Entonces, ¿qué tan especial es nuestra galaxia natal, o no? La respuesta proporcionada por el presente estudio: cuando se trata de la distribución de la abundancia de metales, nuestra Vía Láctea es inusual, pero no única. Solo el 11% de las galaxias en la muestra TNG50 y aproximadamente el 1% de las galaxias en la muestra MaNGA mostraron un altibajo similar de metalicidad promedio. Es probable que la discrepancia entre el 11 % y el 1 % se deba a una combinación de incertidumbres en los datos de MaNGA y la limitación de simulaciones realistas en el universo del modelo TNG50.
Además, en las regiones exteriores, la disminución de la metalicidad promedio al aumentar la distancia desde el centro es bastante más pronunciada para la Vía Láctea, en comparación con las galaxias MaNGA y TNG50.
La pregunta de ‘por qué’
Entonces, ¿por qué la Vía Láctea tiene las propiedades inusuales que tiene y qué significan estas propiedades para la historia de formación de nuestra galaxia natal? Hay varias formas de explicar la escasez comparativa de estrellas ricas en metales cerca del centro galáctico. Esta característica podría estar relacionada con la formación del llamado bulto, una región más o menos esférica de una estrella más vieja que rodea el centro galáctico a una distancia de unos 5.000 años luz. La formación de protuberancias habría utilizado la mayor parte del gas de hidrógeno disponible, lo que dificultaría mucho más la formación posterior de estrellas. Alternativamente, la escasez podría estar relacionada con una fase activa en la que el agujero negro supermasivo central de nuestra galaxia arrojó partículas y radiación desde su vecindad inmediata, inhibiendo la formación de estrellas.
La metalicidad en las regiones exteriores puede explicarse por varios escenarios que combinan la evolución del gas dentro de nuestra galaxia de origen con la historia de la formación de estrellas en el disco galáctico. El fuerte declive podría ser el signo de un episodio inusual en la historia de nuestra galaxia, digamos, nuestra galaxia natal “tragando” una galaxia más pequeña con gas que contenía muy pocos metales. Ese gas habría servido más tarde como materia prima para la formación de estrellas con menos metales en el disco. También es posible que nuestra estimación de la extensión del disco estelar de la Vía Láctea esté equivocada y que este error distorsione la comparación con otras galaxias en lo que respecta a cuán pronunciada es la disminución.
Panorama
Maria Bergemann dice: “¡Los hallazgos son muy emocionantes! Esta es la primera vez que podemos comparar significativamente el contenido químico detallado de nuestra galaxia con las mediciones de muchas otras galaxias. Los resultados son importantes para la próxima generación de estudios integrales de formación de galaxias. “Esos estudios utilizarán datos de los próximos programas de observación a gran escala dirigidos a la Vía Láctea o a galaxias distantes. Nuestra investigación muestra cómo combinar con sensatez los dos tipos de conjuntos de datos”.
En general, la investigación descrita aquí plantea una serie de preguntas interesantes. Con nuevas encuestas y nuevos estudios que exploran una perspectiva de “astrónomo alienígena”, podemos esperar encontrar respuestas y comprender mejor la historia de nuestra galaxia natal en el proceso.
Con información de Nature.
