Una galaxia es un conjunto de estrellas , gas , polvo , vacío y quizás principalmente materia oscura , que a veces contiene un agujero negro supermasivo en su centro.
La Vía Láctea , la galaxia en la que se encuentra el Sistema Solar , tiene unos cientos de miles de millones de estrellas (10 11 ) y tiene una extensión del orden de 80.000 años luz . Un informe de la misión espacial europea Gaia hizo pública, el 25 de abril de 2018, la posición de 1.692.919.135 estrellas en nuestra galaxia, lo que representa menos del 1% de todas las estrellas presentes en nuestra galaxia. La mayoría de las galaxias típicas tienen un número similar de estrellas, pero también hay galaxias enanas con alrededor de diez mil millones de estrellas (10 10 ) y galaxias gigantes con varios billones de estrellas (10 12 ). Con base en estos números y el tamaño del universo observable , se estima que hay unos pocos cientos de miles de millones de galaxias de masa significativa. Sin embargo, la población de galaxias enanas es muy difícil de determinar debido a su muy baja masa y luminosidad. Por lo tanto, podría contener hasta 2.000 millones de galaxias, pero esto solo se puede confirmar con observaciones de futuros telescopios (como el telescopio europeo gigante o el telescopio de treinta metros ).
Las galaxias como grandes sistemas estelares fueron identificadas por primera vez en el transcurso de la década de 1920 , principalmente por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble , aunque los primeros datos que indican este hecho se remontan a 1914 . Las galaxias son de tres tipos morfológicos principales: elípticas , espirales , irregulares . El Hubble dio una descripción más extensa de los tipos de galaxias aproximadamente al mismo tiempo y desde entonces se ha llamado la secuencia de Hubble .
No todas las estrellas se encuentran en galaxias. Si parece establecido que está dentro de las galaxias que las estrellas se forman, son susceptibles de ser expulsado de ellos, ya sea debido a las interacciones entre galaxias, o porque de encuentros cercanos entre una estrella y una estrella. Estrella muy masiva, como un negro supermasivo agujero ubicado en el centro de una galaxia. Así podemos observar ciertas estrellas dotadas de una alta velocidad en comparación con su galaxia, una señal de que ya no están ligadas gravitacionalmente. Por tanto, estas estrellas se denominan " estrellas fugaces ". Se conocen varios representantes de esta clase, como SDSS J090745.0 + 024507 y GRO J1655-40 , ambos saliendo de la Vía Láctea. El primero es probablemente el resultado de un encuentro cercano con el agujero negro central de nuestra galaxia, Sgr A * , el segundo es probablemente el resultado de una supernova asimétrica cuyo residuo compacto fue expulsado de la región donde tuvo lugar la explosión.
La palabra "galaxia" proviene del término griego para nuestra propia galaxia, ὁ γαλαξίας / ho galaxias ("lechoso", implícito κύκλος / kyklos "círculo"), derivado del nombre τὸ γάλα / a gala "leche". También encontramos en griego antiguo ὁ τοῦ γάλακτος κύκλος / ho tou galaktos kyklos “el círculo de leche”, o ὁ κύκλος γαλακτικός / ho kyklos galaktikos , “círculo lechoso ” , por su aparición en el cielo. En la mitología griega , Zeus colocaba a su hijo Heracles , nacido de su unión con la mortal Alcmena , sobre el pecho de su esposa Hera cuando dormía para que el bebé se volviera inmortal al beber su leche divina. Al despertar, se dio cuenta de que estaba amamantando a un bebé desconocido que apartó, y un chorro de leche roció el cielo, formando esta pálida banda luminosa llamada "Vía Láctea".
En la literatura astronómica, la palabra "Galaxia" con una G mayúscula se refiere a nuestra propia galaxia (la Vía Láctea ), para distinguirla de otras galaxias.
Antes del descubrimiento de las galaxias, se utilizó el término "nebulosa", que describía cualquier objeto difuso en la esfera celeste . Este nombre se remonta a William Herschel , quien estableció su catálogo de objetos del cielo profundo , usó el término " nebulosa espiral " para objetos como M31 . Posteriormente, estas serían identificadas como inmensas aglomeraciones de estrellas, y cuando las distancias entre ellas empezaron a entenderse, se las denominó " islas-universo ". Sin embargo, esta nomenclatura cayó en desuso a favor del término "galaxia".
Decenas de miles de galaxias se han identificado, entre otros objetos, a través de numerosos catálogos astronómicos , tales como el catálogo de Messier y el Nuevo Catálogo General , que también hacen referencia a las nebulosas , sino también más específicamente el PGC , UGC , catálogos . MCG , CGCG , IC etc. Por lo tanto, la galaxia espiral barrada comúnmente conocida como M109 también se identifica con los números NGC 3992 , PGC 37617 , UGC 6937 , MCG + 09-20-044 , CGCG269-023 , etc. Algunas galaxias notables han recibido un nombre común (a veces varios) de uso común en lugar de números de identificación, como, por ejemplo, la galaxia de Andrómeda , las nubes de Magallanes , las galaxias Antenas , la galaxia Whirlpool (también llamada galaxia de los perros de caza ), la galaxia Sombrero , etc.
Una galaxia típica como la Vía Láctea tiene unos cientos de miles de millones de estrellas y tiene un tamaño de alrededor de 100.000 años luz (un año luz equivale aproximadamente a 9,5 billones de kilómetros). Sorprendentemente, estos números solo se pueden expresar en términos de varias constantes fundamentales . Más precisamente, un simple razonamiento permite relacionar el tamaño de una galaxia con el fenómeno de inestabilidad gravitacional que ve un objeto más denso que el medio ambiental contraerse bajo ciertas condiciones debido a su propio campo gravitacional. Esto ocurre principalmente cuando un objeto se enfría repentinamente, en cuyo caso su presión cae bruscamente y ya no puede contrarrestar el efecto atractivo de la gravedad. En este contexto, predecimos que la masa M g y el tamaño R g de una galaxia son probablemente del orden de:
, ,donde y representan respectivamente la constante de estructura fina (electromagnética) y la constante de estructura fina gravitacional , y la masa del protón y el electrón , respectivamente.
Se necesitan más de diez mil millones de años para que la luz de las galaxias más distantes llegue a la Tierra .
Ya en la antigüedad, los filósofos intentaron comprender la naturaleza de la banda luminosa conocida como la Vía Láctea . El filósofo griego Anaxágoras ( 500 - 428 aC) lo concibió como "el efecto de la luz de las estrellas que no son ofendidas por el sol" . Asimismo, Demócrito ( 450 - 370 aC) sugirió que se debía a una gran cantidad de estrellas pequeñas.
Aristóteles , sin embargo, pensó que lo que se observaba era la combustión de parte del aire, encendido por el movimiento de las estrellas, implicando por tanto que estaba en la esfera sublunar.
Géminos de Rodas , probablemente alrededor del 55 a. C. AD, describe la Vía Láctea como "uno de los grandes círculos de la esfera de lo fijo. Bastante ancho, está formado por polvo de estrellas en forma de nebulosa; es el único círculo grande del universo que es visible. Hay 7 círculos grandes: el ecuador, el zodíaco, los colores, el horizonte en cada lugar, el meridiano, la Vía Láctea. "
El persa astrónomo Al-Biruni ( 973 - 1048 dC) también refutado postulado de Aristóteles, tratando de calcular el paralaje de la Vía Láctea, y tomando nota de que, puesto que es cero, debe estar situado a una gran distancia de la Tierra, y por lo tanto fuera la atmósfera. También propuso que la Vía Láctea era una colección de innumerables estrellas nebulosas . La evidencia de esto llegó en 1610 , cuando Galileo usó su telescopio refractor para estudiar la Vía Láctea y descubrió que, de hecho, estaba formada por innumerables estrellas débiles. Thomas Wright en su libro An Original Theory or New Hypothesis of the Universe (1750), estudia la estructura de la Galaxia e imagina que forma una nube aplastada. En un tratado de 1755 , Immanuel Kant , especula acertadamente que nuestra galaxia podría ser un cuerpo en rotación de un número increíble de estrellas unidas por fuerzas gravitacionales , al igual que el Sistema Solar . El disco de estrellas resultante puede verse, en perspectiva, como una franja en el cielo, para un observador dentro de él. Kant también argumentó que algunas de las nebulosas visibles en el cielo nocturno podrían ser galaxias.
El primer intento de describir la forma de la Vía Láctea y la disposición del Sol en su interior fue realizado por William Herschel en 1785 . Él " enumeró cuidadosamente la posición y las distancias de un gran número de estrellas" . Dibujó un diagrama de la forma de la Vía Láctea y colocó el Sistema Solar cerca del centro. En 1920 , Jacobus Kapteyn llegó a una imagen de una pequeña galaxia elipsoidal (de unos 15.000 parsecs de diámetro), con el Sol también cerca del centro. Un método diferente, propuesto por Harlow Shapley , basado en la posición de los cúmulos globulares , condujo a una imagen radicalmente diferente de todo lo visto hasta ahora: un disco plano con un diámetro de aproximadamente 70.000 parsecs (es decir, un poco más de 200.000 años luz ) con el Sol muy lejos del centro. Ambos análisis no tuvieron en cuenta la absorción de luz por el polvo interestelar (fenómeno llamado extinción ) presente en el plano galáctico , pero luego de que Robert Jules Trumpler cuantificara este efecto en 1930 , mediante el estudio de cúmulos abiertos , surgió la imagen actual de nuestra galaxia.
Hacia el final de la XVIII ª siglo , Charles Messier establece un catálogo que contiene 110 "nebulosas", como se les llamaba indiscriminadamente objetos difusos observados en el cielo. A este catálogo le siguió uno más grande, de 5.000 objetos, compilado por William Herschel . En 1845 , Lord Rosse construyó un nuevo telescopio que podía distinguir nebulosas elípticas y espirales . También trató de resaltar las fuentes puntuales dentro de ciertas nebulosas, dando así crédito a la conjetura de Kant.
En 1917 , Herber Curtis observó imágenes de la supernova SN 1885A en la " Gran Nebulosa de Andrómeda " ( M31 , en el catálogo de Messier ). Buscando la fotografía, encontró 11 novas más. Curtis notó que estas novas eran en promedio 10 magnitudes más bajas que las de nuestra galaxia. A partir de estos resultados, pudo estimar la distancia entre nosotros y ellos en unos 150.000 parsecs. Por lo tanto, se convirtió en un seguidor de lo que se llama la teoría del “universo isla”, argumentando que las nebulosas espirales son de hecho galaxias independientes, pero su descubrimiento sigue siendo poco conocido.
En 1920 , tuvo lugar el " Gran Debate " sobre la naturaleza de la Vía Láctea, las nebulosas espirales y el tamaño del Universo , con Harlow Shapley y Herber Curtis como protagonistas principales . Para reforzar su idea de que la Gran Nebulosa de Andrómeda era una galaxia exterior, Curtis notó la aparición de líneas oscuras similares a las nubes de polvo en la Vía Láctea, así como un cambio en la luz debido al efecto Doppler-Fizeau .
El hecho fue finalmente establecido por Edwin Hubble a principios de la década de 1920 utilizando un nuevo telescopio. Pudo resolver las partes externas de algunas nebulosas espirales como colecciones de estrellas individuales e identificó algunas variables llamadas Cefeidas , cuyo período de variación de la luz es una función del brillo absoluto. Esto permitió estimar la distancia que nos separaba de estas nebulosas: estaban demasiado lejos para formar parte de la Vía Láctea. En 1936 , Hubble creó un sistema para clasificar galaxias que todavía se usa hoy: la secuencia de Hubble .
En la década de 1970 , se descubrió que la masa visible total, en galaxias, de estrellas y gas, no podía explicar correctamente la velocidad de rotación de estos, que es sistemáticamente anormalmente alta en comparación con lo que tendría. masa de la que estaban compuestas las galaxias. Esto llevó a postular la existencia de una nueva forma de materia, llamada materia oscura . Éste no emite ninguna radiación, pero su existencia se revela por la influencia de su campo gravitacional en la dinámica de las estrellas. Desde principios de la década de 1990 , el telescopio espacial Hubble aportó una gran mejora en las observaciones distantes. Estas nuevas observaciones permitieron, en particular, establecer que la materia oscura de nuestra Galaxia no puede consistir solo en estrellas débiles y pequeñas. Otras observaciones cosmológicas llegan a la misma conclusión, dando fe de la idea de que la materia oscura es una nueva forma de materia desconocida en el laboratorio . Dentro de las galaxias, la materia forma un halo esférico que es más grande que la propia galaxia y tiene un perfil de densidad conocido como "esfera isotérmica", es decir decreciente como la inversa del cuadrado de la distancia en el centro .
Hay tres tipos principales de galaxias: elípticas , espirales e irregulares . La Secuencia de Hubble establece una descripción detallada de los diferentes tipos de galaxias en función de su apariencia . Dado que la secuencia de Hubble se basa enteramente en la característica morfológica visual, a veces no tiene en cuenta características importantes como la velocidad de formación de estrellas (en galaxias starburst ) o la actividad del núcleo (en galaxias starburst ). Galaxias activas ). En el momento de su clasificación, Hubble creía que los diferentes tipos de morfologías galácticas correspondían a un grado variable de evolución de estos objetos, comenzando desde un estado esférico sin estructura (tipo E0), luego aplanándose gradualmente (tipo E1 a E7), antes de producir los brazos espirales (tipos Sa, Sb, Sc o SBa, SBb, SBc). Esta hipótesis de evolución ha sido completamente invalidada desde entonces, pero la denominación en términos de "galaxia temprana" ( galaxia de tipo temprano en inglés ) para elíptica y "galaxia tardía" ( galaxia de tipo tardío ) para espiral está en contra, todavía se usa.
El sistema de clasificación de Hubble cuenta las galaxias elípticas en función de su excentricidad (es decir, el aplanamiento de su imagen proyectada en el cielo), que van desde E0 (prácticamente esférica) a E7 (muy alargada), el número que sigue a la "E" corresponde a la cantidad , donde un y b son el eje semi-mayor y el semieje menor de la galaxia como se observa. Estas galaxias tienen un perfil elipsoidal , lo que les da una apariencia elíptica desde cualquier ángulo de visión. Su apariencia muestra pocas estructuras y no tienen mucha materia interestelar . Por lo tanto, estas galaxias contienen pocos cúmulos abiertos y tienen una tasa baja de formación de estrellas . Las estrellas más antiguas y evolucionadas, que giran aleatoriamente alrededor de su centro de gravedad común, dominan estas galaxias. En este sentido, presentan cierta similitud con los cúmulos globulares , pero a mayor escala.
Las galaxias más grandes son elípticas gigantes. Se cree que muchas galaxias elípticas se formaron a través de una interacción de galaxias que finalmente se fusionaron. Pueden alcanzar tamaños enormes (en comparación con las galaxias espirales, por ejemplo). Por otro lado, estas galaxias elípticas gigantes se encuentran a menudo en el corazón de grandes cúmulos de galaxias . Las galaxias starburst son a menudo el resultado de una colisión de galaxias. La galaxia elíptica gigante más cercana a nuestra galaxia es M87 en la constelación de la Virgen , a 60 millones de años luz.
Las galaxias espirales forman la clase de galaxias más emblemática. Están formadas por un disco giratorio y están compuestas por estrellas y medio interestelar , con un bulbo central de estrellas generalmente más antiguas. De esta bombilla emergen brazos relativamente brillantes. En el esquema de clasificación de Hubble, las galaxias espirales ser de tipo S , seguido por una letra ( a , b , o c ), que indica el grado de bobinado de los brazos espirales, así como el tamaño de la bombilla central. Una galaxia Sa tiene brazos relativamente mal definidos y una región central relativamente grande. Por el contrario, una galaxia Sc tiene brazos muy abiertos y bien dibujados, así como una pequeña bombilla.
En las galaxias espirales, los brazos espirales forman una espiral logarítmica aproximada, un patrón que, en teoría, puede ser el resultado de una perturbación en la masa estelar en rotación uniforme. Los brazos espirales giran alrededor del centro, como las estrellas, pero con una velocidad angular constante. Esto significa que las estrellas entran y salen de los brazos espirales; las estrellas cercanas al centro galáctico orbitan más rápido que los brazos, mientras que las estrellas más externas se mueven más lentamente que los brazos. Se cree que los brazos espirales son áreas donde la densidad de la materia es mayor, por lo que podemos verlos como "ondas de densidad". A medida que las estrellas pasan por un brazo, la velocidad de cada sistema estelar se ve alterada por fuerzas gravitacionales adicionales ejercidas por una mayor densidad de materia (esta velocidad vuelve a la normalidad una vez que la estrella emerge del brazo). Este efecto es similar a una "ola" de desaceleración en una autopista saturada de automóviles.
Los brazos son visibles por su contenido de estrellas jóvenes y brillantes, debido a la alta densidad de materia que facilita la formación de estrellas. Sin embargo, las estrellas más brillantes también son las más masivas y tienen una vida útil muy corta (unos pocos millones de años contra 10 mil millones de años para el Sol), por lo que las áreas más brillantes se encuentran en las proximidades de los lugares. tiempo para alejarse significativamente durante su breve existencia.
Galaxias espirales barradasLa mayoría de las galaxias espirales tienen una banda de estrellas lineal en su centro, de la cual emergen los brazos espirales. En la clasificación de Hubble, se designan con un SB , seguido de una letra minúscula ( a , b , o c ), lo que nuevamente indica la forma y disposición de los brazos espirales (de la misma manera que las galaxias espirales no tachadas). Se cree que las barras son estructuras temporales que pueden surgir como resultado de la radiación de densidad desde el núcleo hacia afuera, o como resultado de la interacción con otra galaxia que involucra la fuerza de las mareas . Muchas galaxias espirales barradas están activas , esto puede ser gas conducido a lo largo de los brazos.
Nuestra propia galaxia es una gran galaxia espiral barrada de unos 30.000 pársecs de diámetro y 1.000 pársecs de espesor. Contiene aproximadamente 2 × 10 11 estrellas y tiene una masa total de aproximadamente 6 × 10 11 masas solares .
Las galaxias particulares son formaciones galácticas que desarrollan propiedades inusuales debido a interacciones gravitacionales con otras galaxias, fuerzas de marea , responsables de estas deformaciones. Las galaxias anulares , que tienen una estructura formada por estrellas y gas en forma de anillo alrededor del centro galáctico, son buenos ejemplos de galaxias particulares. Se puede formar una galaxia en anillo cuando una galaxia más pequeña pasa por el centro de una galaxia espiral. Tal evento podría haber ocurrido en la galaxia de Andrómeda , que presenta varios anillos en infrarrojo .
Una galaxia lenticular es una forma de transición, que tiene las propiedades de una galaxia elíptica y espiral. En la secuencia de Hubble, están marcados como S0 . Tienen brazos, ciertamente mal definidos, y un halo elíptico de estrellas (las galaxias lenticulares barradas son del tipo SB0 ).
Además de las morfologías mencionadas anteriormente, hay varias galaxias que no encajan en ninguna de estas categorías. Estas son galaxias irregulares . Una galaxia Irr-I tiene alguna estructura, pero no está claramente relacionada con ningún tipo en la secuencia de Hubble. Las galaxias Irr-II no tienen una estructura comparable a nada en el diagrama de Hubble, e incluso pueden haber sido destrozadas. Ejemplos cercanos de galaxias irregulares (enanas) son las nubes de Magallanes .
A pesar de la preeminencia de las grandes galaxias elípticas y espirales, parece que la mayoría de las galaxias del universo son galaxias enanas . Estas diminutas galaxias son hasta un 1% de las de la Vía Láctea y contienen solo unos pocos miles de millones, si no unos cientos de millones de estrellas. Las galaxias enanas ultracompactas, que se han encontrado recientemente, tienen solo 100 parsecs de largo.
La mayoría de las galaxias enanas orbitan alrededor de una galaxia más grande; la Vía Láctea tiene al menos una docena de satélites enanos, probablemente menor que el número total de tales satélites. Las galaxias enanas también pueden clasificarse en elípticas , espirales o irregulares .
Un gráfico que representa la velocidad de rotación de la materia en función de la distancia entre ella y el centro galáctico puede tomar dos formas, siendo la curva plana B la más común. Echemos un vistazo más de cerca a las formas de las curvas de rotación. El artículo citado da una gran cantidad de ellos.
Cerca del centro galáctico , la velocidad es proporcional a la distancia desde el centro galáctico. Por tanto, la velocidad angular de rotación es constante como en un sólido . Entonces, la curva se vuelve parabólica , lo que corresponde a una densidad de masa constante de estrellas. Después del máximo, la curva es generalmente plana, la densidad de estrellas está disminuyendo. Finalmente, muy lejos del centro galáctico donde la densidad de estrellas es muy baja, encontramos las leyes de Kepler , que solo se pueden verificar en presencia de estrellas suficientemente brillantes que formen parte de la galaxia en cuestión. (ver artículo Materia oscura )
La distancia media que separa las galaxias de un cúmulo es relativamente pequeña. En consecuencia, las interacciones entre galaxias son bastante frecuentes y juegan un papel importante en su evolución . Cuando faltan por poco dos galaxias, sin embargo, sufren deformaciones debido a la fuerza de la marea y pueden intercambiar una cierta cantidad de gas y polvo .
Las colisiones ocurren cuando dos galaxias pasan directamente una a través de la otra y tienen suficiente momento angular relativo para no fusionarse. Las estrellas de estas galaxias que interactúan pasarán sin chocar entre sí. Sin embargo, el gas y el polvo presentes en las dos galaxias interactuarán. Esto puede desencadenar una explosión de formación de estrellas porque el medio interestelar ha sido alterado y comprimido. Una colisión puede distorsionar severamente las dos galaxias, formando estructuras que se asemejan a barras, anillos o colas largas.
La interacción más violenta es la fusión galáctica . En este caso, el momento relativo de las dos galaxias es insuficiente para permitirles liberarse del agarre de la otra y continuar sus rutas. En cambio, se fusionarán gradualmente para formar una única galaxia más grande. Las fusiones traen enormes cambios a la morfología de las dos galaxias iniciales. Sin embargo, si una de las dos galaxias es mucho más masiva que la otra, estamos asistiendo a un fenómeno de canibalismo . En este caso, la galaxia más grande permanecerá relativamente sin cambios, mientras que la más pequeña se romperá dentro de la otra. La Vía Láctea está actualmente en proceso de absorber la Galaxia Elíptica Enana de Sagitario y la Galaxia Enana del Perro Grande de esta manera .
Las estrellas se crean en las galaxias a partir del gas frío que se ha formado en nubes moleculares gigantes . Algunas galaxias, galaxias con estrellas , tienen una velocidad vertiginosa de formación de estrellas. Sin embargo, si continuaran funcionando de esta manera, estas galaxias agotarían sus reservas de gas en menos tiempo que su vida útil. Por lo tanto, tal evento generalmente dura solo 10 millones de años, que es relativamente corto en comparación con la historia de la galaxia. Las galaxias Starburst eran más comunes en el pasado y actualmente contribuyen con alrededor del 15% a la tasa total de formación de estrellas.
Las galaxias Starburst se caracterizan por altas concentraciones de gas y polvo , así como por una gran cantidad de estrellas jóvenes. Los más masivos ionizan las nubes circundantes y crean regiones HII . Estas estrellas masivas terminan como supernovas , produciendo un resplandor que interactúa con el gas circundante. Esto desencadena una reacción en cadena de formación de estrellas que se propaga por toda la región gaseosa. Este estallido estelar solo termina cuando el gas disponible se consume o se dispersa.
Los estallidos de estrellas a menudo se asocian con galaxias en interacción o fusión. El mejor ejemplo de una galaxia de explosión estelar es M82 , que recientemente interactuó con la M81 más grande. Las galaxias irregulares a menudo tienen nodos o la tasa de formación es particularmente alta.
Se dice que algunas galaxias están activas . Esto significa que una parte significativa de la energía total es emitida por fuentes distintas de las estrellas, el polvo o el medio interestelar .
El modelo estándar que describe una galaxia se basa en el disco de acreción presente alrededor del agujero negro supermasivo de la galaxia. La radiación de las galaxias activas proviene de la energía potencial gravitacional de la materia cuando cae del disco al agujero negro. Aproximadamente el 10% de estos objetos tienen un par de chorros de partículas que se acercan a la velocidad de la luz .
Las galaxias activas que emiten radiación de alta energía en forma de rayos X se denominan galaxias Seyfert o cuásares , según su brillo. Se cree que los blazares son galaxias activas que emiten chorros apuntados hacia la tierra. Una radiogalaxia emite radiación ubicada en ondas de radio de sus chorros.
Un modelo unificador explica que las diferencias entre los distintos tipos de galaxias activas se deben únicamente al ángulo de visión del observador.
El estudio de la formación y evolución galáctica permite esbozar respuestas a preguntas sobre la evolución de las galaxias a lo largo de la historia del universo. En esta área, algunas teorías han sido ampliamente aceptadas, pero todavía es un campo muy activo de la astrofísica . Un trabajo reciente sugiere que las primeras galaxias se habrían formado antes de lo esperado (una galaxia distante que contiene estrellas de 750 millones de años se habría formado alrededor de 200 millones de años después del Big Bang).
Los modelos cosmológicos actuales que describen la formación del universo se basan en la teoría del Big Bang , según la cual el espacio-tiempo , y con él toda la materia y la energía que componen el universo, brotó en una medida de expansión poco común, mientras se comprimía a un tamaño infinitesimal. Aproximadamente 300.000 años después de este evento inicial, la temperatura había bajado lo suficiente como para permitir que se formaran átomos de hidrógeno y helio , en un fenómeno llamado Recombinación . La mayor parte del hidrógeno era neutro (no ionizado ) y, por lo tanto, absorbía luz; las estrellas aún no se habían formado; por esta razón, este período se llama la Edad Oscura . Fue a partir de fluctuaciones de densidad (o irregularidades anisotrópicas ) que comenzaron a formarse las estructuras más grandes de materia . Aglomeraciones de materia bariónica condensada dentro de halos de materia oscura fría . Estas estructuras primordiales eventualmente se convertirán en las galaxias que observamos hoy.
La evidencia de la aparición de galaxias primordiales se encontró ya en 2006 con el descubrimiento de la galaxia IOK-1, que exhibe un corrimiento al rojo de 6,96, que corresponde a solo 750 millones de años después del Big Bang. En marzo de 2016, investigadores que trabajaban con datos del Telescopio Espacial Hubble como parte de la encuesta GOODS descubrieron la galaxia GN-z11 , que tiene un corrimiento al rojo de 11.01 y se observó cuando el Universo tenía solo 400 millones de años. GN-z11 es hasta la fecha el objeto más antiguo y distante jamás observado. La existencia de tales protogalaxias sugiere que deben haberse desarrollado durante la Edad Oscura.
Mil millones de años después de la formación de la galaxia, comienzan a aparecer estructuras clave: cúmulos globulares , el agujero negro supermasivo central y el bulbo galáctico formado por estrellas de población II . La creación de un agujero negro supermasivo parece jugar un papel importante, ya que regula activamente el crecimiento de las galaxias al limitar la cantidad total de material agregado. Durante este tiempo, las galaxias experimentan un gran estallido de formación estelar.
Durante los próximos dos mil millones de años, la materia acumulada se asienta en el disco galáctico . Una galaxia continuará absorbiendo materiales circundantes (presentes en las nubes interestelares rápidas y en las galaxias enanas ) a lo largo de su vida. Estos materiales consisten principalmente en hidrógeno y helio . El ciclo de nacimiento y muerte de las estrellas aumenta lentamente la cantidad de material pesado, lo que eventualmente puede conducir a la formación de planetas .
La evolución de las galaxias puede verse fuertemente afectada por la interacción o la colisión. Las fusiones de galaxias eran comunes en el pasado y la mayoría de las galaxias tenían morfologías particulares. Dada la distancia entre las estrellas, la gran mayoría de los sistemas estelares no se verán afectados por una colisión. Sin embargo, el desgarro gravitacional de gas y polvo interestelar produce un largo rastro de estrellas. Tales estructuras, causadas por la fuerza de las mareas, se pueden ver en las galaxias Mouse o Antennae .
La Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda se acercan entre sí a una velocidad de 130 km / s , y bien podrían chocar en 5 a 6 mil millones de años. Aunque la Vía Láctea nunca ha chocado con una gran galaxia como Andrómeda, la cantidad de evidencia de que la Vía Láctea choca con galaxias enanas está aumentando.
Estas interacciones a gran escala son raras. En el pasado, las fusiones de dos sistemas de igual tamaño se volvieron menos frecuentes. La mayoría de las galaxias brillantes se han mantenido prácticamente sin cambios durante los últimos mil millones de años, y la tasa neta de formación de estrellas probablemente alcanzó su punto máximo hace aproximadamente 10 mil millones de años.
Ahora, la mayoría de las estrellas se forman en pequeñas galaxias, donde el gas frío no se agota. Las galaxias espirales, como la Vía Láctea, producen estrellas de nueva generación siempre que tengan densas nubes de hidrógeno molecular . Las galaxias elípticas que ya están en gran parte desprovistas de este gas, por tanto, no forman estrellas. Las reservas de material que crean las estrellas son limitadas: una vez que las estrellas hayan convertido todo el hidrógeno disponible en elementos más pesados, terminará la formación de nuevas estrellas.
Se espera que la época actual de estrellas nacientes continúe durante otros cien mil millones de años. Pero la "Edad de las Estrellas " terminará en diez a cien billones de años (10 13 a 10 14 , cuando las estrellas menos masivas (y por lo tanto aquellas con la vida útil más larga), las diminutas enanas rojas , alrededor de 0.08 de masa solar , terminarán su "combustión" y colapso.
Al final de la Era Estelar, las galaxias solo estarán formadas por objetos compactos : enanas marrones , enanas blancas frías (que cuando están frías se convierten en enanas negras ), estrellas de neutrones y agujeros negros ; así como planetas y varios planetesimales. Entonces toda la materia caerá en los agujeros negros centrales o se esparcirá por todo el espacio intergaláctico.
La mayoría de las galaxias están conectadas gravitacionalmente con otras. Los grupos de galaxias son los tipos de grupos galácticos más comunes en el universo, y estos contienen la mayoría de las galaxias (y por lo tanto la mayoría de la masa bariónica ) del universo. Tienen algunas docenas de miembros. La Vía Láctea es, por tanto, parte de un grupo de galaxias llamado Grupo Local del cual es el miembro más masivo con la Galaxia de Andrómeda (M31), siendo sus otros miembros de masa mucho menor.
Cuando una concentración de galaxias contiene más de cien galaxias ubicadas en un área de unos pocos mega parsecs , entonces se llama cúmulo . Los cúmulos de galaxias suelen estar dominados por una galaxia elíptica gigante. Con el tiempo, destruye sus satélites, que suman su masa a la suya, a través de las fuerzas de las mareas . El cúmulo al que pertenece el grupo local se llama cúmulo de Virgo , llamado así por la constelación en la que se encuentra su centro.
Los supercúmulos contienen decenas de miles de galaxias aisladas o agrupadas en cúmulos y grupos. En la escala de supercúmulos , las galaxias estarían dispuestas en láminas y filamentos, dejando inmensos vacíos entre ellas. A mayor escala, el Universo parece ser isótropo y homogéneo .
Los grupos, clústeres y supercúmulos no son estructuras fijas. Las galaxias que las componen interactúan entre sí y es probable que se fusionen. Otras galaxias pueden nacer allí a partir de la materia presente que aún no se ha condensado en galaxias.
Inicialmente, la mayoría de las observaciones se realizaron en luz visible . Dado que las estrellas irradian la mayor parte de su luz en esta área del espectro electromagnético , la observación de las estrellas que forman galaxias externas a la Vía Láctea es un componente importante de la astronomía óptica. Además, también es útil para la observación de regiones HII ionizadas y brazos polvorientos .
El polvo presente en el medio interestelar es opaco a la luz visible. Por otro lado, se vuelve más transparente en el infrarrojo lejano ; por lo tanto, puede ser útil para observar el interior de nubes moleculares gigantes y núcleos galácticos . El infrarrojo también se puede utilizar para observar galaxias distantes y desplazadas al rojo que se formaron temprano en la historia del Universo. Debido a que el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben porciones útiles del espectro infrarrojo, los observatorios infrarrojos se encuentran a gran altura o en el espacio.
El primer estudio no visual de galaxias, especialmente galaxias activas , se realizó mediante ondas de radio . De hecho, la atmósfera es casi transparente a las ondas de radio ubicadas entre 5 Hz y 3 GHz (la ionosfera terrestre bloquea la señal por debajo de este rango). Se han utilizado grandes radiointerferómetros para mapear los chorros emitidos por galaxias activas. Los radiotelescopios también se pueden utilizar para observar el hidrógeno neutro (a través de la línea a 21 centímetros ), incluido el material potencialmente no ionizado de los inicios del universo que formó el colapso de las galaxias.
Los telescopios ultravioleta permiten resaltar mejor las estrellas calientes, a menudo masivas y de vida útil limitada, destacando así el fenómeno de formación de estrellas en las galaxias. En el campo de los rayos X , observamos materia mucho más caliente, en particular la distribución de gas caliente dentro de los cúmulos de galaxias, así como fenómenos energéticos dentro del corazón de las galaxias donde suele haber un agujero negro supermasivo cuya presencia se delata, entre otras cosas, por la existencia de remolinos de gas muy caliente engullidos por el agujero negro central.