Formación y evolución de las galaxias

La formación de galaxias es una de las áreas de investigación más activas de la astrofísica, y en cierto sentido, esto también se aplica a la evolución de las galaxias. Sin embargo, hay algunas ideas que ya están ampliamente aceptadas.

Actualmente, se piensa que la formación de galaxias procede directamente de las teorías de formación de estructuras, formadas como resultado de las débiles fluctuaciones cuánticas en el despertar del Big Bang. Las simulaciones de N-cuerpos también han podido predecir los tipos de estructuras, las morfologías y la distribución de galaxias que observamos hoy en nuestro Universo actual y, examinando las galaxias distantes, en el Universo primigenio. Las galaxias contienen más de 100.000 billones de estrellas, conteniendo el sol. Tienen más de 10.000 años luz lejos de la tierra.

Preguntas fundamentales

En astrofísica, las preguntas sobre la formación y evolución de las galaxias son:

• ¿cómo se ha generado un universo tan heterogéneo a partir de un universo homogéneo?
• ¿cómo se formaron las galaxias?
• ¿cómo cambian las galaxias con el tiempo?

Después del Big Bang, el universo tuvo un periodo en el que fue muy homogéneo. Tal como se observa en la radiación de fondo de microondas, las fluctuaciones son menores que una parte en cien mil.

La teoría más aceptada es que las estructuras que observamos hoy en día se formaron como consecuencia del crecimiento de fluctuaciones primordiales debido a la inestabilidad gravitacional. Las fluctuaciones primigenias causaron que los gases fueran atraídos hacia áreas de material más denso, jerárquicamente se formaron los supercúmulos, las agrupaciones galácticas, las galaxias, los cúmulos estelares y las estrellas. Una consecuencia de este modelo es que la localización de las galaxias indican áreas de alta densidad del Universo primigenio. Así, la distribución de las galaxias está íntimamente relacionada con la física del Universo primigenio.

Datos recientes aportan evidencias de que las primeras galaxias se formaron mucho más temprano de los que los astrónomos preveían, tan solo 600 millones de años después del Big Bang. Esto deja poco tiempo para que las pequeñas inestabilidades primordiales crezcan lo suficiente para que las protogalaxias formen galaxias.

Buena parte de los esfuerzos de investigación están centrados en los componentes de nuestra propia Vía Láctea, ya que es la galaxia más fácil de observar. Las observaciones que necesitan explicación, o al menos ser compatibles, en una teoría de la evolución galáctica son:

• el disco estelar es muy fino, denso y rota;
• el halo estelar es grande, disperso y no rota (o incluso tiene una pequeña retrogradación), sin subestructura aparente;
• las estrellas del halo son por lo general mucho más viejas y tienen una menor metalicidad que los discos estelares (aquí hay se observa una correlación, pero no hay una conexión directa entre estos datos).
• algunos astrónomos han identificado una población intermedia de estrellas, llamadas "población II intermedia". Si ésta es una población distinta, entonces se describirían como de baja metalicidad (pero no tan pobres como las estrellas del halo), viejas (pero no tan viejas como las estrellas del halo) y orbitan muy cerca del disco;
• los cúmulos globulares son en general viejos y de baja metalicidad, pero hay algunos que no tienen tan baja metalicidad como la mayoría, y/o que tienen estrellas más jóvenes. Algunas estrellas en los cúmulos globulares parecen ser tan viejas como el propio universo (utilizando métodos y análisis totalmente diferentes);
• en cada cúmulo globular, todas las estrellas nacen aproximadamente al mismo tiempo (excepto en algunos pocos cúmulos globulares que muestran múltiples épocas de formación estelar);
• los cúmulos globulares de órbitas más cortas (más cercanas al centro galáctico) tienen orbitas de baja inclinación con respecto al disco y menos excéntricas; mientras que los que tienen órbitas más alejadas orbitan en cualquier inclinación y con órbitas más excéntricas;
• las nubes de alta velocidad, nubes de hidrógeno neutro "llueven" en la galaxia, y presumiblemente lo han hecho desde el comienzo (estas serían la fuente de gas del disco, de la que se han formado las estrellas del disco).

Galaxias espirales

Una galaxia espiral con el disco alabeado como resultado de la colisión con otra galaxia. Después de que la otra galaxia sea completamente absorbida, la distorsión desaparecerá. El proceso típicamente dura millones si no miles de millones de años.

La Galaxia del Sombrero es una galaxia espiral de la constelación de Virgo.

La primera teoría moderna de la formación de nuestra galaxia describe un colapso monolítico simple (relativamente) rápido, primero formándose el halo, seguido del disco. Otra teoría describe un proceso más gradual, primero con el colapso de pequeñas unidades que se combinan para formar componentes mayores. Una idea más reciente es que una porción significativa del halo estelar podría provenir de los restos estelares de galaxias enanas destruidas y cúmulos globulares que orbitaron alguna vez la Vía Láctea. El halo entonces sería un componente "nuevo" hecho de partes "recicladas".

En los últimos años, se ha puesto mucha atención en la comprensión de los eventos de fusión entre galaxias dentro de la evolución galáctica. Los rápidos progresos tecnológicos en computación han permitido simulaciones de galaxias mucho mejores y las mejoras en las tecnologías observacionales han proporcionado muchos más datos sobre galaxias distantes experimentando eventos de fusión. Después del descubrimiento en 1994 de que nuestra propia Vía Láctea tiene una galaxia satélite (la Galaxia Enana Elíptica de Sagitario) que está actualmente siendo disgregada y "comida" por la Vía Láctea, se piensa que este tipo de eventos pueden ser muy comunes en la evolución de las galaxias grandes. Las Nubes de Magallanes son galaxias satélite con el mismo destino. La idea de una galaxia absorbedora con un gran número de galaxias satélite podría explicar por qué la galaxia M31 (la Galaxia de Andrómeda) parece tener un núcleo doble.

La SagDEG está orbitando nuestra galaxia formando prácticamente un ángulo recto con el disco. Actualmente está pasando a través del disco, las estrellas están disgregándose de ella con cada paso y uniéndose al halo de nuestra galaxia. Finalmente, sólo quedará el corazón de la SagDEG. Aunque tendrá la misma masa que un gran cúmulo globular como Omega Centauro, pero parecerá diferente, ya que presentará una baja densidad superficial debida a la presencia de una cantidad substancial de materia oscura, mientras que los cúmulos globulares parece, misteriosamente, que contienen muy poca materia oscura.

Más ejemplos de galaxias satélite enanas que están en proceso de absorción con la Vía Láctea son la Galaxia Enana del Can Mayor, descubierta en 2003 y considerada como responsable del Anillo de Monoceros y la Corriente Estelar de Virgo, descubierta en 2005.