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Origen y Evolución del Universo (Parte I)

Curso “Introducción a las Ciencias de la Tierra y el Espacio II”

1Introducción a CTE II (2011), Depto. de

Astronomía, IFFC, UDELAR.

Introducción a CTE II (2011), Depto. de Astronomía, IFFC, UDELAR.

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The Hubble Deep Field. Esta

imagen del Hubble Space Telescope(HST) muestra miles de galaxias, deformas y tamaños variados. Salvodos estrellas de campo,prácticamente todos los objetosvisibles en la imagen son galaxias.Las más distantes se aprecian comoobjetos muy tenues, alcanzando lasmás débiles la magnitud 30 (unas 4mil millones de veces más débilesque las estrellas visibles a simplevista). Contiene objetos que seencuentran entre los más lejanosalguna vez observados (tal vezgalaxias en formación), por lo que laimagen podría representar comoluciría el Universo a menos de milmillones de años tras el Big Bang.Para obtener esta imagen de campoprofundo, se apuntó el telescopio auna región del cielo de alta latitudgaláctica (en la Osa Mayor), y secombinaron unas 100 h deexposición con cámara CCD a lolargo de 10 días de observación.De acuerdo a esta imagen, existiríanen el Universo algunas decenas demiles de millones de galaxias.

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Temario

• Propiedades básicas de los principales tipos de galaxias, de acuerdo a la clasificación de Hubble.

• Distribución a gran escala de las galaxias: cúmulos y supercúmulos de galaxias.

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Galaxias

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(a) El cúmulo Coma. Cada galaxia de este cúmulo de galaxias contiene unos cientos de miles de millonesde estrellas . El cúmulo se encuentra a unos 100 Mpc, y contiene varias centenas de galaxias (con la excepción del objeto azulado en el ángulo superior derecho, cualquier otro objeto visible en la imagen esuna galaxia). (b) Imagen del HST de una parte del cúmulo.(Figura 24.1, Astronomy Today).

• Las galaxias son grandesconglomerados, gravitacionalmente ligados, de estrellas, gas, polvo y materiaoscura.• Conocemos millones de galaxias; muchas menores quela Vía Láctea, algunascomparables, y unas pocasmucho mayores.• La luz que estamosrecibiendo de las galaxias másdistantes fue emitida antes que la Tierra existiera.• Las galaxias están separadasunas de otras por grandesdistancias.

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Clasificación de galaxias

• Vistas a través de telescopio, las galaxias presentan imágenes no estelares, con bordes difusos, y a menudo con formas elongadas.

• Charles Messier publica en 1784 un catálogo de 103 objetos de apariencia nebular (que luego sería ampliado a 2500 objetos gracias a William y Caroline Herschel).

• Aún tomando en cuenta sus distintas orientaciones en el espacio, lasgalaxias no muestran todas la misma apariencia: algunas de estas“nebulosas” se mostraban difusas y amorfas, mientras la mayoría se mostraban con formas redondeadas o elípticas, o con forma de torbellinos en espiral.

• Immanuel Kant las llama “Universos isla”.

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Clasificación de galaxias

• En el S. XX la tecnología demuestra que Kant había acertado acerca de la naturaleza de estos objetos, y que nuestra Vía Láctea es una más de esosuniversos isla que teorizó Kant, los cuales fueron renombrados como“galaxias”.

• Edwin Hubble apunta el flamante telescopio de 100 pulgadas de Mount Wilson hacia la nebulosa de Andrómeda, distinguiendo estrellas. Algunasde las estrellas descubiertas resultaron ser Cefeidas por lo cual pudoestimar sus distancias. Descubrió que la llamada nebulosa de Andrómedase encuentra a una distancia de unos 2 millones de años-luz, lo quesobrepasaba por lejos el tamaño estimado por Shapley para la Vía Láctea(unos 300 mil años-luz).

• Hubble elaboró un catálogo de galaxias basado en su apariencia, clasificándolas en cuatro tipos básicos: espirales, espirales barradas, elípticas e irregulares.

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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea

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Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)

Las galaxias espirales se caracterizan por poseer un delgado disco galáctico con brazos espirales, un bulbocentral y un halo extendido.

La Figura muestra la distribución espacial de losdistintos componentesde nuestra galaxia. El Sol se ubica a unos 8 kpc del centro galáctico.

En la vecindad del Sol el disco tendría unos 300 pc de espesor (~ 1000 años-luz, equivalente a 1 % del diámetro del disco).

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Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)

• Las estrellas jóvenes y el gas interestelar se encuentranmás confinados al plano del disco galáctico que lasestrellas de tipo solar. • A su vez las estrellas de tiposolar están más sujetas al disco galáctico que las enanasde tipos K y M (más viejas).• Esto se debería a que lasestrellas se forman en nubesinterestelares próximas al plano del disco y luegotienden a migrar fuera del disco a medida queinteractúan con otras estrellasy nubes moleculares.

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Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea

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Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)

• En el halo galáctico abundanlas estrellas rojas más viejas y los cúmulos globulares, los cuales se extienden bastantemás lejos por debajo y porencima del plano galáctico (el halo sería un remanente de una fase más temprana en la evolución de la galaxia).• Al igual que el halo, el bulbocontiene gran cantidad de estrellas rojas viejas y cúmulosglobulares.• Los discos galácticos son ricos en gas (observado por la emisión en 21 cm del H neutro) y en polvo (absorbeen el óptico).

Ejemplo de galaxia espiral: La Vía Láctea

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Concepción artística de la Vía Láctea vista casi “de canto”(Fig. 23.10, Astronomy Today)

• Las estrellas se forman dentrode los brazos espirales donde el medio interestelar es más denso.• Los brazos espirales contienennumerosas nebulosas de emisióny estrellas O y B recientementeformadas.• La mayor parte de la luz de lasgalaxias espirales proviene de lasestrellas de tipos A a G presentesen el disco, confiriéndoles a lasespirales un resplandorblanquecino. • Los brazos espirales aparecenazulados debido a la presencia de estrellas brillantes azules de tiposO y B.

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Galaxias espirales

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Variaciones de forma entre las galaxias espirales: yendodesde el tipo Sa hacia el Sc, el bulbo se va volviendomenor mientras los brazos espirales tienden a abrirse más(Fig. 24.2, Astronomy Today).

• Las espirales (S) se denotan mediante Sa, Sb o Sc según el tamaño del bulbo. • El tamaño del bulbo se correlaciona bien con la compacticidad de la estructura espiral: lasgalaxias tipo Sa tienegrandes bulbos centrales y brazos casi circulares y estrechamente enrollados, mientras las galaxias tipo Sc presentan bulbos máspequeños y una estructuraespiral más probrementedefinida, con brazos más“grumosos”.

Galaxias espirales

• Las galaxias tipo Sa contienen lasmayores cantidadesde gas y polvo, y lastipo Sa, las menores.

• Las espirales no son necesariamentegalaxias jóvenes; simplementecontienen todavíasuficiente gas comopara que la formación estelarcontinue.

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M101: The Pinwheel Galaxy Credit & Copyright: Jean-Charles Cuillandre (CFHT), Hawaiian Starlight, CFHT (Astronomy Picture of the Day). Esta galaxia masiva se encuentra a unos 22 millones de años-luz. Presenta varias regionesbrillantes de formación estelar en sus brazosespirales.

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Galaxias espirales

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La galaxia “El Sombrero” (M104). Un núcleo brillante y blanco es rodeadopor espesas bandas oscuras de polvo y gas interestelar. La galaxia se extiendepor unos 50 mil años-luz y dista unos28 millones de años-luz de la Tierra. (Astronomy Picture of the Day).

La galaxia Andrómeda (M31). Es el objetomás distante visible a simple vista. Estainmensa galaxia espiral, con un tamaño de más de 200 mil años-luz, aparece a simple vista como una pequeña nube difusa y débilen la constelación de Andrómeda (Astronomy Picture of the Day).

Galaxias espirales

• La mayoría de las galaxias están inclinadas respecto a nuestravisual, haciendo difícil discernir su estructura espiral.

• Pero basta con observar la presencia de un disco con polvo, gas y estrellas recién nacidas para clasificarla como espiral.

• Por ejemplo, la galaxia “del Sombrero” muestra una clarabanda de polvo oscura a lo largo de su plano medio. Por tantoes espiral.

• Además, es de tipo Sa debido a su gran bulbo.

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Galaxias espirales barradas

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La variación en la forma desde el tipo SBa hasta el SBc es similar al de las espiralesnormales, excepto que ahora los brazos espirales comienzan en los extremos de unabarra que pasa a través del centro galáctico (Fig. 24.4, Astronomy Today).

• Constituyen una variación de la categoría espirales, y se caracterizan porpresentar una “barra” elongada de material estelar e interestelar a travésde su centro, extendiéndose más allá del bulbo, dentro del disco.• Se designan por SB y se subdividen igual que las espirales normales en los tipos Sba, SBb y SBc.• La Vía Láctea sería de tipo SBb o SBc.

Galaxias elípticas

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• A diferencia de las espirales, no poseen brazos espirales, y en la mayoría de los casos, tampoco presentan un disco galáctico. En general presentan poca estructura interna.• Al igual que en las espirales, la densidad estelar aumenta pronunciadamente en el núcleo central.• Presentan un rango amplio de tamaños: las elípticas gigantes pueden abarcar algunosMpc y contener hasta cientos de miles de billones de estrellas. En el otro extremo, laselípticas enanas pueden ser tan pequeñas como 1 kpc en diámetro y contener unospocos millones de estrellas.

Derecha: NGC 4881 esuna galaxia elípticagigante en el borde del cúmulo de galaxiasComa. Izquierda: M87 esuna gran galaxia elípticaque se ubica cerca del centro del cúmulo de galaxias Virgo. (Astronomy

Picture of the Day).

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Galaxias elípticas

• Las enanas constituyen la forma más común de galaxias elípticas (superan en 10:1 a las más grandes).

• Sin embargo, la mayor parte de la masa de las elípticasestá contenida en los objetos mayores.

• También se diferencian de las espirales en que carecende gas y polvo. En la mayoría de los casos tampoco hay evidencia de estrellas jóvenes o de formación estelar.

• Todo o casi todo del gas interestelar se habríacondensado en estrellas (o perdido) gran tiempo atrás, antes de que un disco tuviera chance de formarse.

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Galaxias elípticas

• Algunas elípticas gigantes constituyen excepciones a lo anterior, pues contienen discos de gas y polvo donde se estánformando estrellas. Entre otras hipótesis, se especula con queestas galaxias podrían haberse originado a partir de la colisiónentre una galaxia elíptica normal y una espiral que terminaronfusionándose.

• Las elípticas pueden considerarse como “puro halo”, pues, al igual que el halo de nuestra galaxia, están conformadasmayoritariamente por estrellas poco masivas, viejas y rojizas.

• Las órbitas de las estrellas se encuentran desordenadas, con las estrellas moviéndose en cualquier dirección, al contrariode las trayectorias regulares en el disco de nuestra galaxia. Las órbitas de las estrellas determinan la forma de las galaxias.

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Galaxias elípticas

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Figura: Variaciones de forma entre las galaxias elípticas. (a) La galaxia M49 es de tipoE1, mostrando una apariencia casi circular. (b) M84 es una galaxia elíptica ligeramentemás elongada, y se clasifica como E3. Ambas galaxias carecen de estructura espiral, y ninguna muestra evidencia de materia interestelar (Fig. 24.5, Astronomy Today).

La forma de las elípticas(E) varía desde muyelongadas hasta casiesféricas en apariencia: se subdividen en los tipos E0 (menoselípticas) a E7 (máselípticas).

Galaxias S0 y SB0

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Ejemplos de una galaxia de tipo S0 (a) y de tipo SB0 (b) (Fig. 24.6, Astronomy Today).

• Entre los tipos E7 y Sa se encuentran galaxias sin gas ni brazos espirales pero con un disco fino y un bulbo achatado. Tales objetos se conocen como galaxias S0 y SB0 (normales y barradas, respect.).• Observaciones recientes han mostrado muchas galaxias elípticas con discos débiles. Algunos especulan con que las galaxias E y S0 formarían una secuenciacontinua, aunque aún no estáclaro el origen de los discos en las S0.

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Galaxias irregulares

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Algunas galaxias de tipo Irr II. (a) Las galaxias NGC 4485 y NGC 4490 podrían estar próximas la una a la otra e interactuar gravitacionalmente. (b) La galaxia M82 muestra una aparienciaexplosiva, aunque no se sabe a ciencia cierta. (c) Muchas galaxias irregulares son pequeñas y tenues, pero NGC 4449 es comparable a la Vía Láctea tanto en tamaño como en luminosidad(Fig. 24.7, Astronomy Today).

• Por su apariencia visual no encajan en ninguna de las categorías anteriores. • Tienden a ser ricas en materia interestelar y en estrellas jóvenes azules, pero carecen de estructura regular.• Se dividen en dos subclases: Irr I e Irr II. Las Irr I asemejan a una espiral “distorsionada”, mientras las Irr II tienen una “apariencia” explosiva, filamentosa. Estas últimas podrían ser el resultado de un encuentro cercano o de una colisión entre dos sistemas normales, más queel resultado de algún evento violento.

Galaxias irregulares

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Las Nubes de Magallanes se destacan en el cielo del Hemisferio Sur. Son galaxias enanasirregulares de tipo Irr I, ligadas gravitacionalmente a la Vía Láctea, ubicadas a unos 50 kpc del centro de nuestra galaxia. (a) Imagen donde se aprecian ambas galaxias. Tanto la Pequeña (b)como la Gran Nube (c) de Magallanes tienen una forma distorsionada, irregular. Algunosastrónomos creen ver en ellas un cierto patrón espiral distorsionado. La Gran Nube (LMC) contiene unas 6 mil millones de masas solares y abarca unos pocos kpc. Ambas contienengrandes cantidades de gas, polvo y estrellas azules, así como también estrellas viejas y cúmulosglobulares, por lo cual se supone que la formación estelar ha estado presente desde hace

mucho tiempo. (Fig. 24.8, Astronomy Today).

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Galaxias irregulares

• Las galaxias irregulares tienden a ser más pequeñasque las espirales pero algo más grandes que laselípticas enanas.

• Típicamente contienen entre cien y diez mil millonesde estrellas.

• Como ocurre con las elípticas, las enanas irregularesson las más comunes.

• Enanas elípticas e irregulares se observan en aproximadamente igual número y juntas constituyen la gran mayoría de las galaxias existentes en el universo.

• A menudo se encuentran las galaxias enanas comocercanas a una galaxia mayor.

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Clasificación de Hubble

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El clásico diagrama de Hubble en forma de “tenedor” que muestra suclasificación de galaxias en cuatro tipos básicos: elípticas, espirales, espirales barradas, e irregulares. Es sugestiva la ubicación de los distintostipos de galaxias en el diagrama, que pareciera indicar una secuenciaevolutiva. Sin embargo, actualmente se cree que no existe ningún tipo de conexión evolutiva entre un tipo de galaxia y otro. Los intentos en explicarlas propiedades observadas de las galaxias normales en términosevolutivos no han tenido éxito hasta el momento. (Fig. 24.9, Astronomy Today).

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Cuadro resumen:Propiedades básicas de los tipos de galaxias

Espirales/Espiralesbarradas (S,SB)

Elípticas (E) Irregulares (Irr)

1) Forma y propiedadesestructurales

Disco muy achatadode estrellas y gas, con brazos espirales y ensanchamiento haciaun bulbo central. Las galaxias Sa y SBatienen los bulbos másgrandes y la estructuraespiral menosdefinida. Las SB tienenuna barra central y elongada formada porestrellas y gas.

Sin disco. Estrellasdistribuidas en un volumen elipsoidalcuya forma varíadesde casi esférico(E0) hasta muyachatados (E7). No presentan estructurainterna, salvo por un núcleo central denso.

No presentanestructura. Las Irr II presentan a menudouna apariencia“explosiva”.

2) Contenido estelar Los discos contienenestrellas tanto jóvenescomo nuevas. Los halos contienensolamente estrellasviejas.

Solamente estrellasviejas.

Estrellas jóvenes y viejas.

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Cuadro resumen:Propiedades básicas de los tipos de galaxias

Espirales/Espiralesbarradas (S,SB)

Elípticas (E) Irregulares (Irr)

3) Gas y Polvo Los discos contienencantidadessubstanciales de gas y polvo. Los halos contienen poco de ambos.

Contienen poco o nada de gas y polvo.

Muy abundantes en gas y polvo.

4) Formación estelar En curso en los brazosespirales.

Sin actividadsignificativa en los últimos 10 mil millones de años.

Gran actividad.

5) Dinámica estelar En el disco el gas y lasestrellas se mueven en órbitas circulares en torno al centrogaláctico. En el halo lasestrellas se muevenaleatoriamente en todas direcciones.

Las estrellas se muevenaleatoriamente en todas direcciones.

Estrellas y gas tienenórbitas muyirregulares.

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Cúmulos y Supercúmulos de galaxias

El diagrama muestra la ubicación de los principales objetos astronómicos a menos de 1 Mpc de la Vía Láctea. Se ven las tres galaxias satélites de la VíaLáctea (incluyendo la SMC y la LMC). A unos 900 kpc aparecen la galaxia de Andrómeda (M31), y dos de sus satélites (la espiral M33 y la elíptica enanaM32). Forman parte del Grupo Local (que comprende unas 20 a 40 galaxias). El Grupo Local contiene a unas tres espirales (Vía Láctea, M31 y M33), siendo el resto galaxias elípticas enanas o irregulares. Por lejos Andrómeda y la Vía Lácteason los mayores miembros del grupo. La gravedad conjunta mantiene unidas a las galaxias del grupo, al igual que las estrellas en un cúmulo estelar (Fig. 24.13, Astronomy Today). Introducción a CTE II (2011), Depto. de

Astronomía, IFFC, UDELAR.27

Cúmulos y Supercúmulos de galaxias

Más allá del Grupo Local, la próxima gran concentración de galaxias la conforma el Cúmulo de Virgo. Se encuentra a unos 18 Mpc de la Vía Láctea. Contiene unas2500 galaxias, c/u con unos cien mil millones de estrellas. Tiene una extensión de unos 3 Mpc. La galaxia cerca del centro es una gigante elíptica (M86). El cúmulocontiene varias espirales y elípticas grandes (Fig. 24.15, Astronomy Today).

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Cúmulos y Supercúmulos de galaxiasSe conocen muchos cúmulos de galaxias, de formas y tamañosvariados. Los cúmulos grandescomo el de Virgo contienenvarios miles de galaxiasdistribuidas bastanteuniformente en el espacio. Los cúmulos pequeños como el Grupo Local contienensolamente unas pocas unidadeso decenas de galaxias y son bastantes irregulares en forma. Existe una pequeña fracción de galaxias solitarias que no pertenecen a ningún cúmulo.

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El cúmulo de galaxias Abell 1185 abarcaaproximadamente 1 millón de años-luz y se encuentra a unos 20 millones de años-luz de la Tierra. El cúmulo contiene centenares de galaxias, la mayoría de las cuales son espirales (Astronomy Today).

Cúmulos y Supercúmulos de galaxias

Se cree que los cúmulos de galaxiasforman a su vez “cúmulos de cúmulos”, o sea supercúmulos de galaxias. La figura muestra el Supercúmulo Local, el cual contieneal Grupo Local y al Cúmulo de Virgo. Cada punto representa una galaxia. El diagrama está centrado en la VíaLáctea. La Vía Láctea se ubicaría a unos 18 MPc del centro del Supercúmulo Local.

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(Fig. 24.17, Astronomy Today).

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Próxima clase:

• Técnicas de medición de distancias en Astrofísica.

• La ley de Hubble y su aplicación para calcular las distancias a los objetos más remotos del universo observable.

• La estructura a gran escala del universo.

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• ¿Existe estructura a mayores escalas?

• Respuesta: Si (lo estudiaremos en la próxima clase).