El papel de los gases en la evolución de las galaxias

Un estudio sobre la caída del gas interestelar indica que todas las galaxias, desde las pequeñas hasta las gigantes, se formaron en intervalos de tiempo muy cercanos

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – Uno de los temas más fascinantes de la cosmología se refiere al estudio de la evolución de las galaxias. El objetivo de tal investigación es comprender de qué manera las nubes primordiales de gas, en el Universo recién nacido, se condensaron hasta formar estrellas y galaxias, y cómo éstas evolucionaron hasta convertirse en espirales magníficas como la vía Láctea.

Un trabajo de astrofísicos brasileños y españoles, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, apuntó a estimar de qué manera se procesó, en el transcurso de miles de millones de años, la caída del gas interestelar desde las zonas externas del disco en espiral en dirección hacia el núcleo galáctico, merced a la atracción de su formidable fuerza gravitacional.

Es fundamental descubrir cuál es la tasa de caída de gas interestelar en el tiempo y en el espacio, a los efectos de saber la razón de la formación de las estrellas, ya que de dicho gas están hechas las mismas. Es decir, cuanto más gas cae a través del disco, más estrellas se forman y más brillante se vuelve la galaxia.

Pero existe un problema. Los instrumentos básicos de los astrónomos para estudiar la evolución galáctica son los observatorios. Y sucede que, salvo raras excepciones, la tecnología actual no permite la observación de galaxias cuando el Universo era joven, es decir, cuando tenía la mitad de su edad actual, que es de aproximadamente 13.800 millones de años.

“La imagen es muy tenue, difusa, de baja resolución. Eso resulta problemático, fundamentalmente debido a que ya se sabe que la primera mitad de la vida del Universo fue el período más dinámico de la evolución de las galaxias”, dijo Oscar Cavichia, docente del Instituto de Física y Química de la Universidad Federal de Itajubá (en Minas Gerais, Brasil), uno de los autores del estudio.

Para intentar entender cómo eran las galaxias cuando eran jóvenes, los científicos emplearon el cluster computacional Alphacrucis, instalado en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la Universidad de São Paulo (USP).

Se trata de uno de los mayores aglomerados de procesadores (son 192 servidores que agrupan 2.304 procesadores) exclusivamente dedicados al estudio de la Astronomía. Inaugurado en 2012, el Alphacrucis es una de las mayores supercomputadoras de Brasil, y su adquisición se concretó con el apoyo de la FAPESP.

“Realizamos simulaciones de 144 modelos distintos de caída de gas. Los mismos variaban, de acuerdo con la masa y con el tamaño de la galaxia, por ejemplo. La potencia computacional del Alphacrucis permitió que realizásemos todas las simulaciones al mismo tiempo, en lugar de hacerlas por separado, lo cual nos hizo ahorrar mucho tiempo y aceleró el trabajo”, dijo Cavichia.

Se realizaron simulaciones con galaxias espirales hipotéticas de tres tamaños. Medianas, tales como la vecina del Triángulo (M33), que tiene 40 mil millones de estrellas. Grandes, como la Vía Láctea, con 400 mil millones de estrellas. Y gigantes, como la vecina más cercana, Andrómeda (M31), con un billón de estrellas.

Las simulaciones comprendieron la caída de gas en esos tres tipos de galaxias a partir de su formación inicial, cuando el Universo contaba con tan sólo mil millones de años (redshift 6), y prosiguieron en el transcurso del tiempo para estimar lo que sucedía cuando el Universo tenía 1.500 millones de años (redshift 4), tres mil millones (redshift 2), seis mil millones (redshift 1) y nueve mil millones de años (redshift 0,5). Redshift, el “corrimiento al rojo”, es la alteración de la forma en que se observa la frecuencia de las ondas de luz en función de la velocidad relativa entre la fuente emisora y el receptor.

También se buscó analizar la variación de la caída de gas a partir de la distancia a la cual se encontraba del núcleo galáctico, con el argumento de que, cuanto más cerca del núcleo, mayor es la gravedad y más rápida es la caída. A su vez, cuanto más lejos del núcleo, menor es la gravedad y más lenta es la caída.

“La hipótesis del trabajo indicaba que las galaxias de mayor masa se formarían más rápido que las de menor masa, pues cuanto mayor es la masa de la galaxia, mayor es su fuerza gravitacional”, dijo Cavichia.

“De la misma manera, nuestra hipótesis sugería que el gas debería caer más rápido en las partes internas de la galaxia que en las externas”, dijo el investigador, que contó con becas de maestría, doctorado y posdoctorado de la FAPESP.

Gases en caída

El resultado de las simulaciones fue en la dirección que los astrofísicos esperaban, pero aportó una sorpresa. “La caída de gas es más o menos constante, con excepción de las regiones centrales”, comentó Cavichia.

En efecto, cuanto más cerca del núcleo de la galaxia se encuentra el gas, más acelerada es su caída. Y tal como se ha teorizado, el gas cae de manera más lenta en las galaxias de menor masa.

Pero eso no quiere decir que las galaxias pequeñas se formaron más lentamente que las grandes, y las grandes, a su vez, más lentamente que las gigantes. “Lo que la simulación reveló fue que todas las galaxias, tanto las gigantes como las grandes y las pequeñas, capturan gas a una tasa muy similar a medida que el tiempo pasa”, explicó Cavichia.

La mayor parte del gas interestelar disponible para la formación de nuevas estrellas ya habría caído cuando el Universo cumplió nueve mil millones de años, lo cual está de acuerdo con las observaciones astronómicas.

El paso actual de esta investigación consiste en estudiar la abundancia química de elementos, el oxígeno, por ejemplo, en los discos de las galaxias simuladas. El objetivo es determinar la cantidad correspondiente de cada elemento químico en el gas presente en los discos formados y evaluar si la semejanza observada en la tasa de caída de gas para galaxias de distintas masas tiene algún reflejo sobre la distribución de los elementos químicos en el transcurso del tiempo en estas galaxias.

Suscriptores pueden leer el artículo intitulado The role of gas infall in the evolution of disc galaxies (doi: 10.1093/mnras/stw1723), de Mercedes Mollá, Ángeles I. Díaz, Brad K. Gibson, Oscar Cavichia y Ángel-R. López-Sánchez, en el siguiente enlace: mnras.oxfordjournals.org/content/early/2016/07/18/mnras.stw1723?related-urls=yes&legid=mnras;stw1723v1.