Astrónomos informan de la galaxia espiral más antigua jamás observada

Artículo publicado por Stuart Wolpert el 18 de julio de 2012 en la Universidad de California

Los astrónomos han sido testigos por primera vez de una galaxia espiral en los inicios del universo, miles de millones de años antes de que se formasen otras galaxias espirales. En las conclusiones de las que se informa en el ejemplar del 19 de julio de la revista Nature, los astrónomos dicen que la descubrieron mientras usaban el telescopio espacial Hubble para tomar imágenes de unas 300 galaxias muy lejanas en los inicios del universo y estudiar sus propiedades. Esta lejana galaxia espiral se observa tal como era hace unos tres mil millones de años después del Big Bang, y la luz procedente de esta parte del universo ha estado viajando hacia la Tierra durante unos 10 700 millones de años.

“Conforme retrocedes en el tiempo hacia los inicios del universo, las galaxias tienen un aspecto realmente extraño, grumosas e irregulares, no simétricas”, dice Alice Shapley, profesora asociada de física y astronomía en UCLA, y coautora del estudio. “La enorme mayoría de viejas galaxias tienen el aspecto de accidentes de trenes. Nuestra primera impresión fue, ¿por qué esta es tan diferente, y tan hermosa?”

BX442 © Crédito: UCLA


Las galaxias del universo actual se dividen en varios tipos, incluyendo galaxias espirales como nuestra propia Vía Láctea, que son discos rotantes de estrellas y gas donde se forman las nuevas estrellas, y las galaxias elípticas, que incluyen las estrellas viejas más rojas que se mueven en direcciones aleatorias. La mezcla de estructuras galácticas en los inicios del universo es bastante distinta, con una mayor diversidad y una fracción superior de galaxias irregulares, dice Shapley.

“El hecho de que exista esta galaxia es asombroso”, dice David Law, autor principal del estudio y becario posdoctoral en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Toronto. “La visión actual sostiene que tales galaxias espirales de “gran diseño” simplemente no existían en una época tan temprana de la historia del universo”. Una galaxia de “gran diseño” tiene brazos espirales prominentes y bien formados.

La galaxia, que se conoce por el nada glamuroso nombre de BX442, es bastante grande en comparación con otras galaxias de esta época inicial del universo; sólo unas 30 de las galaxias analizadas por Law y Shapley son tan masivas como esta.

Para lograr una visión más profunda de la imagen única de BX442, Law y Shapley fueron al observatorio W.M. Keck en la cima del volcán extinto Mauna Kea en Hawái y usaron un instrumento de vanguardia único conocido como espectrógrafo OSIRIS, construido por James Larkin, profesor de física y astronomía de UCLA. Estudiaron espectros de 3600 posiciones alrededor de BX442, lo que proporcionó una valiosa información que les permitió determinar que en realidad era una galaxia espiral giratoria — y no, por ejemplo, dos galaxias que se habían alineado en la imagen.

“Primer pensamos que podría ser simplemente una ilusión, y que tal vez la imagen nos llevaba por un mal camino”, dice Shapley. “Lo que encontramos cuando tomamos la imagen espectral de esta galaxia es que los brazos espirales pertenecen a la misma. No era una ilusión. Quedamos totalmente desconcertados”. Law y Shapley también vieron pruebas de un enorme agujero  negro en el centro de la galaxia, el cual puede desempeñar un papel en la evolución de BX442.

¿Por qué  BX442 tiene el aspecto de galaxias que son tan comunes actualmente pero eran tan raras entonces?

Law y Shapley creen que la respuesta puede tener que ver con una galaxia enana compañera, que el espectrógrafo OSIRIS revela como una mancha en la parte superior izquierda de la imagen, y la interacción gravitatoria entre ellas. El apoyo a esta idea procede de una simulación numérica llevada a cabo por Charlotte Christensen, becaria posdoctoral en la Universidad de Arozina y coautora de la investigación de Nature. Finalmente la pequeña galaxia está abocada a fusionarse con BX442, señala Shapley.

“BX442 tiene el aspecto de una galaxia cercana, pero en los inicios del universo las galaxias colisionaban entre ellas con mucha frecuencia”, dice. “El gas llovía desde el medio intergaláctico y alimentaba las estrellas, que se formaban a una tasa mucho mayor que la actual; los agujeros negros crecían también a una velocidad mucho mayor. El universo actual es aburrido en comparación con esta época”.

Law, antigua becaria de posdoctorado Hubble en UCLA, y Shapley seguirán estudiando BX442.

“Queremos tomar imágenes de esta galaxia en otras longitudes de onda”, dice Shapley. “Esto nos dirá qué tipo de estrellas hay en cada posición de la galaxia. Queremos cartografiar la mezcla de estrellas y gas de BX442″.

Shapley dice que BX442 representa un vínculo entre las galaxias primigenias, que eran mucho más turbulentas, y las galaxias espirales que vemos a nuestro alrededor. “De hecho, esta galaxia puede poner de relieve la importancia de las interacciones de fusión en cualquier época cósmica para crear una estructura espiral de gran diseño”, añade.

Estudiar BX442 probablemente ayudará a los astrónomos a comprender cómo se forman las galaxias espirales como la Vía Láctea, comenta Shapley.


Autor: Stuart Wolpert
Fecha Original: 18 de julio de 2012
Enlace Original

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Comments (13)

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  3. Ahi vá, pues entonces tal vez haya un “problemilla” con la teoría que explica los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias: en principio estos eran agujeros negros de masas “no tan tremendas”, y a medida que las galaxias van colisionando y fusionándose, estos agujeros negros van ganando masa. Pero si se encuentran agujeros negros supermasivos en épocas tan tempranas del Universo, lo mismo hay que echarle un vistazo a esta teoría…

    • Gorki López

      Interesante propuesta, me hace recordar a la idea de “el universo en constante expansión y creación de materia” faltaría saber si aparecen más ejemplos. Es decir un universo abierto y en expansión. Aún con la idea del Big Bang. saludos.

  4. Tengo la impresiòn de que los agujeros negros son partes muy importante de las galaxias, ya que se ha podido confirmar que en el centro siempre existe uno, es como si los brazos de las galaxias fueran las extremidades de los agujeros negros, hay que chequear eso, verdad.

    • Hola Carlos,

      efectivamente, los agujeros negros supermasivos son una parte importante de las galaxias. Hay que aclarar que en centro de las galaxias no hay agujeros negros de los que surgen de la muerte de las estrellas: estos tienen la masa de algunas decenas de estrellas. Los agujeros negros en el centro de las galaxias se denominan “supermasivos”, y contienen la masa de hasta miles de millones de estrellas. Aunque no tendrían por qué ser necesarios para que existan las galaxias (el efecto de la gravedad sería el mismo si tuviésemos la misma cantidad de materia en forma de estrellas, es decir, miles de millones de estrellas en vez de este agujero negros supermasivo), si juegan un papel importante: tanto gravitacionalmente como por efectos de acumulación de materia en la zona interna de la galaxia, que puede producir intensos brotes de formación estelar.

      El asunto principal es que no se conoce un mecanismo que pueda crear “directamente” un agujero negro supermasivo. La teoría princpal dice que se en las primeras galaxias existían agujeros negros más pequeños, y que a medida que las galaxias empezaron a colisionar los estos agujeros negros empezaron a fusionarse y dar lugar a estos agujeros negros supermasivos. Pero si en épocas tempranas del Universo ya existían estos agujeros negros en el centro de las galaxias, me pregunto cómo encaja esto en la teoría…

      • Dr. Baller Fly

        Ya, ¿y el primero, o la semilla, de dónde sale? xD ¿Cuál es el mecanismo?

        • xD Esa es buena, tiene un toque “primero gallina o agujero negro”

          Bueno, en principio los agujeros negros de tipo estelar surgen de manera natural en la evolución de estrellas masivas. Si las primeras estrellas (hechas sólo de hidrógeno, helio y algo de litio) fueron muy masivas (y parece que así fue), cuando estas murieran se habrían creado agujeros negros de masas de decenas (algunos de incluso alguna centena) de masas solares. Y ahora, hay que poner todos estos bichos a fusionarse con el tiempo.

  5. ¡Agujeros Negros Gigantes!

    La idea de que Agujeros negros gigantes podían activar los cuásares y las radiogalaxias fue concebida por Edwin Salpeter y Yakov Borisovich Zel´dovich en 1964. Esta idea era una aplicación obvia del descubrimiento de dichos personajes de que las corrientes de gas, cayendo hacia un agujero negro, colisionarían y radiarían.

    Una descripción más completa y realista de la caída de corriente de gas hacia un agujero negro fue imaginada en 1969 por Donald Lynden-Bell, un astrofísico británico en Cambridge. Él argumentó convincentemente, que tras la colisión de las corrientes de gas, estas se fundirían, y entonces las fuerzas centrífugas las harían moverse en espiral dando muchas vueltas en torno al agujero antes de caer dentro; y a medida que se movieran en espiral, formarían un objeto en forma de disco, muy parecidos a los anillos que rodean el planeta Saturno: Un disco de Acreción lo llamó Lynden-Bell puesto que el agujero está acreciendo (todos hemos visto la recreación de figuras de agujeros negros con su disco de acreción).

    En los años ochenta, los astrofísicos advirtieron que el objeto emisor de luz brillante en el centro de 3C273, el objeto de un tamaño de 1 mes-luz o menor, era probablemente el disco de acreción calentado por la fricción de Lynden-Bell.

    Normalmente pensamos que la fricción es una pobre fuente de calor. Sin embargo, puesto que la energía gravitatoria es enorme, mucho mayor que la energía nuclear, la fricción puede realizar fácilmente la tarea de calentar el disco y hacer que brille con un brillo 100 veces mayor que la galaxia más luminosa.

    ¿Cómo puede un agujero negro actuar como un giróscopo? James Bardeen y Jacobus Petterson de la Universidad de Yale comprendieron la respuesta en 1975: si el agujero negro gira rápidamente, entonces se comporta precisamente como un giróscopo. La dirección del eje del giro permanece siempre firme fijo e inalterado, y el remolino creado por el giro en el espacio próximo al agujero permanece siempre firmemente orientado en la misma dirección.

    Bardeen y Petterson demostraron mediante un cálculo matemático que este remolino en el espacio próximo al agujero debe agarrar la parte interna del disco de acreción y mantenerlo firmemente en el plano ecuatorial del agujero; y debe hacerlo así independientemente de cómo esté orientado el disco lejos del agujero.

    A medida que se captura nuevo gas del espacio interestelar en la parte del disco distante del agujero, el gas puede cambiar la dirección del disco en dicha región, pero nunca puede cambiar la orientación del disco cerca del agujero. La acción giroscópica del agujero lo impide. Cerca del agujero el disco sigue y permanece siempre en el plano ecuatorial del mismo.

    Sin la solución de Kerr a la ecuación de campo de Einstein, esta acción giroscópica hubiera sido desconocida y habría sido imposible explicar los cuásares. Con la solución de Kerr a mano, los astrofísicos de mitad de los años setenta estaban llegando a una explicación clara y elegante. Por primera vez, el concepto de un agujero negro como un cuerpo dinámico, más que un simple “agujero en el espacio”, estaba jugando un papel central en la explicación de las observaciones de los astrónomos.

    ¿Qué intensidad tendrá el remolino del espacio cerca de un agujero gigante? En otras palabras, ¿cuál es la velocidad de rotación de los agujeros gigantes? James Bardeen dedujo la respuesta: demostró matemáticamente que la acreción de gas por el agujero debería hacer que el agujero girase cada vez más rápido. Cuando el agujero hubiera engullido suficiente gas en espiral para duplicar su masa, el agujero debería estar girando casi a su velocidad máxima posible, la velocidad más allá de la cual las fuerzas centrífugas impiden cualquier aceleración adicional. De este modo, los agujeros negros gigantes deberían tener típicamente momentos angulares próximos a su valor máximo.

    ¿Cómo puede un agujero negro y su Disco dar lugar a dos chorros que apuntan en direcciones opuestas? De una forma sorprendentemente fácil, reconocieron Blandford, Rees y Lynden-Bell en la Universidad de Cambridge a mediados de los setenta. Hay cuatro formas posibles de producir chorros; cualquiera de ellas funcionaria, y, aquí, donde se explica para el no versado en estos objetos cosmológicos, sólo explicaré el cuarto método por ser el más interesante:

    El Agujero es atravesado por la línea de campo magnético. Cuando el agujero gira, arrastra líneas de campo que le rodean, haciendo que desvíen el plasma hacia arriba y hacia abajo. Los chorros apuntan a lo largo del eje de giro del agujero y su dirección está así firmemente anclada a la rotación giroscópica del agujero. El método fue concebido por Blandford poco después de que recibiera el doctorado de física en Cambridge, junto con un estudiante graduado de Cambridge, Roman Znajek, y es por ello llamado el proceso Blandford-Znajet.

    Este proceso es muy interesante porque la energía que va a los chorros procede de la enorme energía rotacional del agujero (esto debería parecer obvio porque es la rotación del agujero la que provoca el remolino en el espacio, y es el remolino del espacio el que provoca la rotación de las líneas de campo y, a su vez, es la rotación de las líneas de campo la que desvía el plasma hacia fuera.)

    ¿Cómo es posible, en este proceso Blandford-Znajet, que el horizonte del agujero sea atravesado por líneas de campo magnético? tales líneas de campo serían una forma de “pelo” que puede convertirse en radiación electromagnética y radiada hacia fuera, y por consiguiente, según el teorema de Price, deben ser radiadas hacia fuera. En realidad, el teorema de Price solo es correcto si el agujero está aislado, lejos de cualquier otro objeto.

    Pero el agujero que estamos discutiendo no está aislado, está rodeado de un disco de acreción. Así que las líneas de campo que surgen del agujero, del hemisferio norte y las que salen del hemisferio sur se doblarán para empalmarse y ser una continuación una de otra, y la única forma de que estas líneas puedan entonces escapar es abriendo su camino a través del gas caliente del disco de acreción. Pero el gas caliente no permitirá que las líneas de campo lo atraviesen; las confina firmemente en la región del espacio en la cara interna del disco, y puesto que la mayor parte de dicha región está ocupada por el agujero, la mayoría de las líneas de campo confinadas atravesarán el agujero.

    Los discos de acreción juegan un papel importante en muchos fenómenos astrofísicos como núcleos activos de galaxias, sistemas protoestelares, estrellas binarias de rayos X y variables cataclísmicas. La falta de información espacial de tales discos con frecuencia había impedido que se pudieran contrastar los resultados propuestos por los modelos teóricos. En el año 1994 los astrónomos fueron capaces de reconstruir por primera vez la distribución de la energía espectral a lo largo de un disco de acreción a partir de la curva de luz de una variable cataclísmica eclipsante, UX Ursae Majoris. En 1997, por primera vez de nuevo, los investigadores descubrieron estructura espiral en un disco de acreción. En aquel entonces se trataba de la estrella binaria en interacción IP Pegasi. Estas investigaciones han ayudado a cubrir el hueco que existe entre observaciones y modelos teóricos y han provocado un importante avance en la física de los discos de acreción.

    Bueno, está claro que de los Agujeros negros y de otros objetos exóticos podríamos hablar y hablar y, cómo no acabamos de saber, seguimos lanzando conjeturas e hipótisis hasta el infinito.

    Lo ciaerto es que, nadie ha estado en ningún agujero negro y a vuelto para contarnos lo que allí pasa.

  6. Glupet

    ¿En donde estaba la tierra -o su energía-, cuando la luz de esta galaxia empezó a viajar hacia nosotros?, ¿Es posible que parte de la luz de esta galaxia, forme parte de la misma energía de la tierra?

  7. [...] una de galaxias. El telescopio Hubble ha captado una imagen de una galaxia espiral, BX442,  de más de diez mil millones de años y que, sin embargo, se encuentra perfectamente definida. Esto contradice las observaciones [...]

  8. fandila

    ¿Por qué la luz es la medida del tiempo? ¿No hay nada más lento o más veloz?
    ¿O se trataría de una medida relativa?
    Si no toda actividad ocurre a la velocidad de la luz, el presente, realmente se encuentra a 13.800 mill. de años luz. ¿La distancia luz de nosotros a una galaxia indica el tiempo o habrá un “oscilador” aún más preciso? ¿Y cuando el fotón no existía aún?

  9. fandila

    La comparación del agujero negro con un giróscopo sólo será posible si permanece aislados. Si sufre la influencia de ortro agujero o una enorme estrella los campos magnéticos interaccionanarán haciendo que la dirección de giro varíe.
    ¿No existirá una especie de espín para el agujero en esos casos?

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