Galaxia: qué es, características, componentes, tipos, formación
¿Qué es una galaxia?
Una galaxia es un conglomerado de objetos astronómicos y materia, como nubes de gas y polvo, billones de estrellas, nebulosas, planetas, asteroides, cometas, agujeros negros e incluso mucha materia oscura, todo ello estructurado gracias a la fuerza de gravedad.
Nuestro sistema solar forma parte de una gran galaxia espiral llamada Vía Láctea. Este nombre derivado del griego puede traducirse como “camino de leche”, por su semejanza a una banda tenuemente iluminada que atraviesa la esfera celeste.
En las noches claras de verano puede ser observada muy bien entre las constelaciones de Escorpión y Sagitario, ya que en esa dirección se encuentra el núcleo y donde la densidad de estrellas es mucho mayor.
Historia del descubrimiento de las galaxias
El gran pensador y matemático griego Demócrito de Abdera (460-370 a. C.) fue el primero en sugerir -en su época no había telescopios- que la Vía Láctea en realidad estaba constituida por miles de estrellas tan lejanas que no podían distinguirse unas de otras.
Hubo que esperar un tiempo antes de que Galileo (1564-1642) le diese la razón, cuando al apuntar su telescopio encontró que en el cielo había más estrellas de las que pudiera contar.
Fue el filósofo alemán Immanuel Kant (1724-1804) quien especuló acerca de que la Vía Láctea estaba constituida por otros tantos miles de sistemas solares y que el conjunto tenía forma elíptica y giraba acompasadamente alrededor de un centro.
Más aún, también sugirió que existían otros conjuntos de estrellas y planetas como la Vía Láctea y los llamó universos islas. Estos universos islas serían visibles desde la Tierra como pequeñas y tenues manchas de luz.
Catálogo Messier
20 años después, en 1774 aparecía el catálogo Messier, una recopilación de 103 objetos del espacio profundo visibles hasta la fecha y realizada por el astrónomo francés Charles Messier (1730-1817).
Entre estos se encontraban algunos candidatos a ser universos islas, que eran conocidos simplemente como nebulosas. La nebulosa M31 era uno de ellos, siendo hoy conocida como la galaxia vecina de Andrómeda.
William Herschel (1738-1822) ampliaría la lista de objetos de espacio profundo a 2500 y describió por primera vez la forma de la Vía Láctea. No obstante, los científicos aún no se habían percatado de que ciertas nebulosas como M31 eran por sí mismas inmensos conglomerados de estrellas semejantes a la Vía Láctea.
Telescopios modernos
Hacía falta un telescopio con la suficiente resolución, pudiendo adquirirse en 1904 cuando se construyó el enorme telescopio del Observatorio Mount Wilson en California con un espejo 100 pulgadas de diámetro. No fue sino hasta entonces que se hizo patente el tamaño del universo, porque la de por sí inmensa Vía Láctea es apenas una galaxia, entre innumerables conglomerados de ellas.
En 1924, Edwin Hubble (1889-1953) logró medir la distancia a una de esas nebulosas en espiral, observando las estrellas tipo cefeidas en el objeto M31, la nebulosa con forma de espiral más notable, llamada Andrómeda.
Las cefeidas son estrellas que cambian periódicamente su brillo y este es proporcional al período. Las más brillantes tienen períodos más largos.
Para entonces, Harold Shapley (1885-1972) había estimado el tamaño de la Vía Láctea, pero era tan grande, que estaba convencido de que la nebulosa de Andrómeda se encontraba en el interior de la Vía Láctea.
Sin embargo, Hubble determinó que la distancia a las cefeidas de Andrómeda era mucho mayor que el tamaño de la Vía Láctea y que, por lo tanto, no podía encontrarse dentro de esta. Andrómeda, al igual que la Vía Láctea, era una galaxia por derecho propio, aunque por mucho tiempo siguió siendo llamada “nebulosa extragaláctica”.
Características de las galaxias
Masa y forma
Las galaxias tienen forma y se las puede clasificar de acuerdo a este criterio. Además, contienen masa y para nada se trata de entidades estáticas, pues tienen movimiento.
Unidades de medida
Existen galaxias gigantes y muy brillantes, como la Vía Láctea y Andrómeda, y también galaxias llamadas “enanas”, hasta mil veces menos brillantes. Para familiarizarse con los tamaños conviene conocer algunas unidades de medida usadas en astronomía. En primer lugar tenemos el año-luz.
El año-luz es una unidad de distancia que equivale a la distancia que recorre la luz en un año. Siendo que la velocidad de la luz es de 300.000 km/s, multiplicando por la cantidad de segundos que hay en 365 días, el resultado es de aproximadamente 9 billones y medio de kilómetros.
A efectos comparativos, la distancia del Sol a la Tierra es de 8.5 minutos-luz, unos 150 millones de kilómetros, que equivale aproximadamente a una UA o unidad astronómica, útil en mediciones dentro del Sistema Solar. La estrella que le sigue en cercanía al Sol es Próxima Centauri a 4.2 años-luz.
La UA da lugar a otra unidad muy utilizada: el parsec o paralaje de un segundo de arco. Que un punto esté a la distancia de un parsec, significa que su paralaje es igual a 1 segundo de arco entre la Tierra y el Sol. La siguiente figura lo aclara:
Tamaño
Los tamaños de las galaxias son sumamente variados, desde tan pequeñas que apenas tienen un millar de estrellas, hasta las gigantes galaxias elípticas de las que hablaremos con detalle más adelante.
Así, tenemos a nuestra Vía Láctea de unos 100.000 años-luz de diámetro, siendo una galaxia de gran tamaño, pero no la más grande. NGC 6872 tiene un diámetro de 520.000 años-luz, unas 5 veces el diámetro de la Vía Láctea y es la galaxia espiral más grande conocida hasta la fecha.
Tienen movimiento
Las galaxias no son estáticas. En líneas generales las estrellas y las nubes de gas y polvo tienen movimientos de rotación alrededor del centro, pero no todas las partes de una galaxia giran con igual rapidez. Las estrellas del centro giran más deprisa que las externas, en lo que se denomina rotación diferencial.
Composición química
Los elementos más comunes en el universo son hidrógeno y helio. En el interior de las estrellas, a modo de reactor nuclear de fusión, se van formando los elementos más pesados que conocemos a través de la tabla periódica.
Color y luminosidad
El color y luminosidad de las galaxias van cambiando con el tiempo. Las galaxias más jóvenes son más azules y brillantes que las más antiguas.
Las galaxias con forma de elipse tienden hacia el rojo, con numerosas estrellas antiguas, mientras que las irregulares son las más azules. En las galaxias con forma de espiral, el azul se concentra hacia el centro y el rojo hacia las afueras.
Componentes de las galaxias
Al observar una galaxia se pueden identificar estructuras como las siguientes, que están presentes en la Vía Láctea, la cual se ha tomado como modelo por ser la mejor estudiada:
Disco y halo
Las dos estructuras básicas de nuestra galaxia son el disco y el halo. El disco está en el plano medio definido por la galaxia y contiene gran cantidad de gas interestelar que da origen a estrellas nuevas. También contiene estrellas viejas y cúmulos abiertos -agrupación de estrellas poco estructurada-.
Hay que acotar que no todas las galaxias tienen la misma tasa de formación estelar. Se cree que las galaxias elípticas tienen una tasa mucho menor, a diferencia de las espirales.
El Sol se encuentra en el disco galáctico de la Vía Láctea, sobre el plano de simetría y al igual que todas las estrellas del disco, orbita la galaxia siguiendo una trayectoria aproximadamente circular y perpendicular al eje de rotación galáctico. Tarda unos 250 millones de años en completar una órbita.
El halo recubre la galaxia con un volumen esferoidal menos denso, ya que es una región con mucha menos cantidad de polvo y gas. Contiene los cúmulos globulares, estrellas agrupadas por la acción de la gravedad y mucho más antiguas que la del disco, estrellas individuales y además la llamada materia oscura.
La materia oscura es un tipo de materia cuya naturaleza se desconoce. Debe su nombre a que no emite radiación electromagnética y se ha propuesto su existencia para explicar el hecho de que estrellas en el exterior se muevan con velocidades mayores a las esperadas.
La velocidad a la cual se mueve una estrella respecto al centro de la galaxia depende de la cómo está distribuida la materia, ya que es la atracción gravitacional debida a ella que una estrella se mantiene en órbita. Una mayor velocidad significa que existe más materia que no se puede ver: la materia oscura.
El bulbo, el núcleo galáctico y la barra
Aparte del disco y el halo, en la galaxia existe el bulbo, la protuberancia central o núcleo galáctico, donde existe una mayor densidad de estrellas, siendo por ello muy luminoso.
Su forma es aproximadamente esférica -aunque el de la Vía Láctea tiene forma más bien de cacahuate- y en su centro está el núcleo, constituido por un agujero negro, un hecho que al parecer es común en buena parte de las galaxias, sobre todo en las de forma espiral.
Los objetos que se encuentran en las adyacencias del núcleo giran, como hemos dicho, mucho más deprisa que los que se encuentran más lejos. Allí la velocidad es proporcional a la distancia al centro.
Algunas galaxias espirales como la nuestra tienen una barra, una estructura que atraviesa el centro y de la cual surgen los brazos en espiral. Hay más galaxias en espiral barradas que no barradas.
Se cree que las barras permiten transporte de materia desde los extremos hasta el bulbo, engrosándolo al propiciar la formación de estrellas en el núcleo.
Tipos de galaxias
El sistema de clasificación de galaxias se basa en la forma que tienen y el más usado actualmente es el diapasón o secuencia de Hubble, creado alrededor de 1926 por Edwin Hubble, y posteriormente modificado por él mismo y otros astrónomos, conforme iba apareciendo nueva información.
Hubble diseñó el esquema en la creencia de que representaba una suerte de evolución de las galaxias, pero hoy en día se sabe que no es así. En la secuencia se utilizan letras para designar las galaxias: E para las galaxias elípticas, S para las galaxias en espiral e Irr para las de forma irregular.
Galaxias elípticas
A la izquierda, en el mango del diapasón, están las galaxias elípticas representadas con la letra E. Las estrellas que la conforman se distribuyen de una manera más o menos uniforme.
El número que acompaña la letra indica qué tan elíptica es la galaxia -elipticidad-, comenzando por E0 que es la más esférica, hasta E7 que es la más aplanada. No se han observado galaxias con elipticidad mayor a 7. Denotando este parámetro como є:
Є = 1 – (β/ɑ)
Con α y β como los semiejes aparentes mayor y menor respectivamente de la elipse. Sin embargo, esta información es relativa, porque solamente disponemos de la vista desde la Tierra. Por ejemplo, no es posible saber si una galaxia que se muestra de canto es elíptica, lenticular o espiral.
Las galaxias elípticas gigantes están entre los objetos más grandes del universo. Son las más fáciles de observar, aunque las versiones mucho más pequeñas, llamadas galaxias elípticas enanas abundan mucho más.
Galaxias lenticulares
Las galaxias lenticulares tienen forma de disco, sin brazos en espiral, pero pueden tener barra. Su nomenclatura es S0 o SB0 y están justo en la bifurcación de la figura. Dependiendo de la cantidad de polvo (zonas de alta absorción) en su disco, se subdividen en S01, SB01 hasta S03 y SB03.
Galaxias en espiral
Las galaxias S son las galaxias en espiral propiamente dichas, mientras que las SB son las galaxias en espiral barrada, ya que las espirales parecen proyectarse a partir de una barra que atraviesa la protuberancia central. La gran mayoría de las galaxias tiene esta forma.
Ambas clases de galaxias se distinguen a su vez por el grado de soltura que tienen los brazos espirales y se señala con minúsculas. Estas se determinan comparando el tamaño de la protuberancia mayor en con la longitud del disco: L protuberancia / L disco.
Por ejemplo, si este cociente es ≈ 0.3, las galaxias se denotan como Sa si es espiral simple, o SBa si es barrada. En estas, las espirales parecen estar más apretadas y la concentración de estrellas en los brazos es más tenue.
A medida que la secuencia prosigue hacia la derecha, las espirales lucen más sueltas. La relación protuberancia / disco de estas galaxias es: L protuberancia / L disco ≈ 0.05.
Si una galaxia tiene características intermedias se pueden añadir hasta dos letras minúsculas. Por ejemplo la Vía Láctea es clasificada por algunos como SBbc.
Galaxias irregulares
Se trata de galaxias cuya forma no encaja con ninguno de los patrones antes descritos.
El mismo Hubble las dividió en dos grupos: Irr I e Irr II, donde las primeras están apenas un poco más organizadas que las segundas, porque tienen algo que recuerda la forma de los brazos espirales.
Las galaxias Irr II son, podríamos decir, amorfas y sin estructura interna reconocible. Tanto Irr I como Irr II suelen ser más pequeñas que las galaxias elípticas o las majestuosas galaxias en espiral. Algunos autores prefieren referirse a ellas como galaxias enanas. Entre las más conocidas galaxias irregulares están las vecinas Nubes de Magallanes, clasificadas como Irr I.
Posteriormente a la publicación de la secuencia de Hubble, el astrónomo francés Gerard de Vaucouleurs (1918-1995) sugirió eliminar la nomenclatura Irr I e Irr II y llamar a las Irr I, que tienen algo de brazos espirales, como galaxias Sd – SBd, Sm – SBm o Im (La “m” es por galaxia tipo Magallanes).
Finalmente, las galaxias cuya forma es verdaderamente irregular y sin asomo de espirales, se denominan simplemente Ir. Con esto ha quedado la clasificación moderna así:
EO, El, . . . , E7, SOl, S02, S03, Sa, SBa, Sab, SBab, Sb, SB, Sbc, SBc, Sc, SBc, Scd, SBcd, Sd, SBd, Sm, SBm, Im, Ir.
¿Cómo se forman las galaxias?
La formación de galaxias es materia de discusión activa en la actualidad. Los cosmólogos creen que en sus comienzos el universo fue bastante oscuro, lleno de nubes de gas y materia oscura. Esto se debe a la teoría de que las primeras estrellas se formaron luego de algunos cientos de millones de años tras el Big Bang.
Una vez puesto en marcha el mecanismo de producción estelar, este resulta tener altibajos en la tasa. Y puesto que las estrellas son las que conforman galaxias, existen distintos mecanismos que llevan a la formación de galaxias.
La atracción gravitatoria es la fuerza primigenia que pone en marcha la formación de objetos cósmicos. Una pequeña acumulación de materia en algún punto atrae más materia y esta empieza a acumularse.
Se cree que la Vía Láctea comenzó de esta manera: pequeñas acumulaciones de materia que con el tiempo dieron lugar a los cúmulos globulares del halo, entre los que se encuentran las estrellas de mayor edad de la galaxia.
La rotación es inherente a la acumulación de masa que siguió a este período inicial de formación estelar. Y con la rotación se crea el momento angular, cuya conservación produjo el colapso de la masa esférica transformándola en un disco plano.
Las galaxias puede aumentar su tamaño fusionándose con otras galaxias más pequeñas. Se cree que esto sucede en la actualidad con la Vía Láctea y sus vecinas más pequeñas, las nubes de Magallanes.
Otra fusión que se espera en un futuro muy lejano es la colisión con Andrómeda que, a diferencia de la mayoría de las galaxias, se está acercando a nosotros. Actualmente, Andrómeda se encuentra a 2.2 millones de años-luz de distancia.
¿Cuántas galaxias hay en el universo?
Aunque la mayor parte del espacio está vacío, hay millones de galaxias, quizá unos 100 billones de ellas, según algunas estimaciones. Otras estiman 2 billones de galaxias. La mayor parte del universo permanece inexplorado y no hay una respuesta exacta a esta interrogante.
Tan solo en 12 días, el telescopio espacial Hubble encontró 10.000 galaxias de las más variadas formas. El total real de galaxias existente en el universo se desconoce. Cuando se observa con un telescopio es necesario recalcar que se está yendo más lejos no solamente en distancia, sino en el tiempo.
La luz del Sol que vemos ha tardado 8.5 minutos en llegar hasta nosotros. La vista de Andrómeda que observamos con binoculares es la de hace 2.2 millones de años. Por eso lo que vemos desde la Tierra está en el rango del universo observable. Por ahora no hay manera de ver qué hay más allá.
Una manera de estimar cuantas galaxias hay en el universo observable es mediante las tomas de campo extremadamente profundo del Hubble o XDF, que representan una pequeña área de la esfera celeste.
En una de dichas tomas se encontraron 5500 galaxias a 13.200 millones de años-luz de distancia. Al multiplicar este valor por la cantidad de XDF de la esfera celeste completa, estimaron los 100.000 millones de galaxias mencionados.
Todo apunta a que en épocas precedentes había más galaxias de las que ahora existen, pero más pequeñas, azules y de formas más irregulares que las elegantes galaxias en espiral que vemos hoy.
Ejemplos de galaxias
Pese a su inmenso tamaño, las galaxias no son solitarias, sino que se agrupan en estructuras de tipo jerárquico.
La Vía Láctea pertenece al llamado Grupo Local, en el que todos los miembros -unos 54- se encuentran a una distancia no mayor de 1 Mega-parsec. Luego la densidad de galaxias desciende hasta que aparece otro cúmulo similar al Grupo Local.
De entre la inmensa variedad de galaxias encontradas, vale la pena destacar algunos ejemplos sorprendentes por sus particularidades:
Galaxias elípticas gigantes
Las galaxias más grandes encontradas hasta ahora están en el centro de los cúmulos de galaxias. Son galaxias elípticas descomunales cuya gravedad atrae a otras galaxias, engulléndolas. En estas galaxias el ritmo de formación estelar es muy bajo, así que para seguir creciendo atrapan a otras.
Galaxias activas
Las galaxias activas, a diferencia de las más normales y tranquilas como la Vía Láctea, emiten frecuencias de muy alta energía, mucho mayor que las emitidas por los núcleos de las estrellas, comunes en cualquier galaxia.
Estas frecuencias de alta energía cuya potencia equivale a billones de soles sale del núcleo de objetos como los cuásares, descubiertos en 1963. Sorprendentemente un cuásar, uno de los objetos más brillantes en el universo, es capaz de mantener este ritmo por millones de años.
Las galaxias Seyfert son otro ejemplo de galaxias activas. Hasta ahora se ha descubierto varios cientos de ellas. Su núcleo emite radiación altamente ionizada, variable en el tiempo.
Se cree que en las cercanías del centro, una enorme cantidad de material gaseoso se precipita hacia el agujero negro central. La pérdida de masa libera energía radiante en el espectro de los rayos X.
Las radiogalaxias son galaxias elípticas que emiten grandes cantidades de radiofrecuencias, diez mil veces más que las galaxias corrientes. En estas galaxias hay fuentes -lóbulos de radio- unidas por filamentos de materia al núcleo galáctico, que emiten electrones en presencia de un intenso campo magnético.
Referencias
- Carroll, B. An Introduction to Modern Astrophysics. 2nd. Edition. Pearson. 874-1037.
- Galaxia. Recuperado de: es.wikipedia.org
- How it works. 2016. Book of Space. 8th. Ed. Imagine Publishing Ltd.134-150.
- Las galaxias. Recuperado de: astrofisica.cl/astronomiaparatodos.
- Oster, L. 1984. Astronomía Moderna. Editorial Reverté. 315-394.
- Pasachoff, J. 1992. Stars and Planets. Peterson Field Guides. 148-154.
- Quora. ¿Cuántas galaxias hay?. Recobrado de: es.quora.com.
- Una regla para medir el universo. Recobrado de: henrietta.iaa.es
- What is a galaxy? Recobrado de: spaceplace.nasa.gov.