Fuegos de artificio en las galaxias enanas

Ángel R. López Sánchez / 05-12-2008

Antes de ser astrofísico he sido astrónomo aficionado. Con la ayuda de un mapa estelar y un telescopio medio destartalado sobre un trípode prestado saltaba entre las estrellas reconociendo objetos difusos. Cúmulos de estrellas con formas caprichosas. Nebulosas planetarias como diminutos globos entre el aspecto puntual de las estrellas. Alguna tenue región de formación estelar. Y galaxias, muchas galaxias, universos islas localizados en las profundidades del espacio. Siempre me ha gustado el reto de intentar ver galaxias más débiles y lejanas con mis propios ojos, de estremecerme al pensar que los fotones que inciden en mi retina partieron de los confines del Cosmos hace millones de años.

Con el tiempo pude dedicarme a la astrofísica profesional. Escogí como estudiante de doctorado un tema de investigación acorde con mi pasión juvenil de astrónomo aficionado. Volví a centrarme en el campo extragaláctico, pero no en objetos grandes y majestuosos como las galaxias espirales o las enormes galaxias elípticas, sino en un tipo de galaxias enanas, sistemas diminutos pero muy peculiares en los que la formación estelar es enorme. Aunque no existe una clasificación clara para estos objetos extragalácticos, se suelen denominar galaxias starbursts (en castellano a mí me gusta designarlas como galaxias estallantes). Se puede decir que estas galaxias son como nebulosas gigantes.

La mayor parte de la luz que llega de las galaxias starbursts es una mezcla de la radiación emitida por muchas estrellas jóvenes (de ahí que suelan tener colores muy azules) y por el gas nebular que, excitado por ellas, emite luz en unos colores muy concretos, produciendo un espectro de líneas de emisión. Estas líneas de emisión (su código de barras) informan sobre la cantidad y la proporción de los elementos químicos presentes en el gas: hidrógeno, helio, oxígeno, nitrógeno, azufre, argón, hierro... Así, las galaxias starbursts son laboratorios ideales donde investigar cómo el Universo se enriquece con los elementos químicos sintetizados por las nuevas generaciones de estrellas.

Ahora bien, ¿por qué esa galaxia enana está formando ahora tantas estrellas? Dicho de otro modo, ¿cuál ha sido el mecanismo que ha disparado la formación estelar? No es una pregunta fácil de responder. En el caso de las galaxias como la Vía Láctea, de mucha mayor masa y con una estructura espiral, diferencias de densidad y presión entre regiones cercanas favorecen la compresión del gas necesaria para el nacimiento de nuevos soles. Pero ¿qué ocurre en las galaxias enanas? ¿Cuál es la causa que provoca tan intensa formación estelar en ellas?

Ésta fue la pregunta que me propuse intentar resolver, mi enigma particular sobre el Universo. Para ello, y bajo la supervisión de mi director de tesis doctoral, César Esteban (Instituto de Astrofísica de Canarias), recopilé toda la información posible sobre galaxias starbursts y confeccioné una lista de objetos a estudiar.

Como señalé anteriormente, la clasificación de las galaxias starbursts es algo arbitraria, por lo que decidimos usar como factor común la presencia de unas estrellas denominadas Wolf-Rayet, cuya peculiaridad es que son muy jóvenes y masivas (se trata de la fase final de las estrellas más masivas antes de que exploten como supernova) y que desaparecen pocos millones de años después de que se inicie el brote de formación estelar. Además, tuvimos cuidado de escoger objetos enanos y aparentemente aislados. Con ello, propusimos una serie de observaciones profundas (esto es, con mucho tiempo de exposición) en las instalaciones telescópicas disponibles en los observatorios españoles (Roque de los Muchachos, Observatorio del Teide y Calar Alto). Estas observaciones eran básicamente de dos tipos: imágenes, con las que conoceríamos la distribución de las estrellas y del gas nebular; y espectroscopía, que usaríamos para analizar las propiedades químicas y la cinemática del gas nebular, así como para concretar los lugares ricos en estrellas Wolf-Rayet. Adicionalmente, compilé de la literatura datos en otras frecuencias como en rayos X, ultravioleta, infrarrojo o radio.

No es mi intención aquí detallar todo el proceso detectivesco (esto es lo que muchas veces es la investigación científica y, en concreto, la investigación astronómica, donde lo único que podemos hacer es observar, pero no reproducir experimentos) que luego resultó mi tesis doctoral. Puedo apuntar la emoción de las primeras veces que viajé a un telescopio profesional a tomar mis datos, la frustración cuando sólo tenía una noche de observación en el telescopio William Herschel y no se pudo abrir por las malas condiciones meteorológicas, mi lucha personal para corregir los datos por extinción interestelar e intergaláctica de forma coherente (mi amigo el reddening), las noches y los días midiendo líneas espectrales y estimando las propiedades fotométricas de las galaxias, mi desazón al comparar las observaciones con los modelos teóricos, los calculitos que hacía con los datos multifrecuencia para estimar cuántas estrellas se forman por unidad de tiempo, la ilusión del primer artículo científico aceptado en una revista especializada o los nervios a la hora de presentar por primera vez mis resultados en un congreso internacional. Todos ellos no son más que los momentos típicos que atraviesa cualquier investigador durante la elaboración de su tesis doctoral, pasando a ser la propia experiencia al cabo de los años. Su esencia compone el proceso del avance del conocimiento científico.

Llegó un momento en el que tenía ante mí una colección ingente de datos multifrecuencia, nuevos números y “pruebas del crimen” de más de una treintena de galaxias Wolf-Rayet enanas. Y una tesis por escribir. En mi cabeza resonaban las palabras del astrónomo Robert Kirshner, quien comentó una vez que “aunque el Universo no está obligado a tener sentido, los estudiantes que persiguen un doctorado sí lo están. ¿Qué era, entonces, lo que de verdad destacaba entre todos los resultados? Mis nuevos datos indicaban que la mayoría de los objetos enanos (pero no todos) mostraban características inequívocas de interacción entre galaxias que, dada su sutileza, sólo se distinguían con observaciones profundas.

Las imágenes de archivo de las mismas galaxias, menos profundas y detalladas, no mostraban esos rasgos de interacción, En concreto, revelaban detalles como sutiles colas, puentes de materia conectando distintas regiones, o estructuras que indican una fusión entre dos sistemas independientes. Los datos espectroscópicos confirmaban estas características al proporcionar pruebas cinemáticas adicionales (distorsiones notables en los patrones de rotación y corrientes de marea) y químicas (regiones cercanas con propiedades químicas muy diferenciadas) a la idea de que las interacciones con o entre objetos enanos son el mecanismo de disparo de la formación estelar intensa en las galaxias starbursts.

Por lo tanto, mi conclusión final era que los fuegos de artificio en galaxias starbursts parecen ser consecuencia de la interacción y fusión de galaxias enanas, algunas tan sutiles y difíciles de detectar incluso con los telescopios disponibles hoy día que son necesarias observaciones con mucho tiempo de exposición para reconocerlas. Resultó que, al igual que cuando era astrónomo aficionado, me encontraba buscando débiles rastros nebulosos entre las estrellas.

La historia no termina ahí. De hecho, transcurridos dos años de la defensa de mi tesis, aún me encuentro inmerso en ella. Primero, porque ahora se están publicando estos resultados en revistas especializadas (tuve que redactar la tesis en español y los artículos científicos deben estar en inglés). Y, segundo, porque en estos mismos momentos (de hecho, justo ahora cuando transcribo mis pensamientos sobre el teclado de mi portátil) me encuentro observando estas galaxias enanas usando un radiointerferómetro localizado en la comarca rural de Narrabri (Australia).

“¿Un interferomet... qué? A mí me suena la palabra interferencia, pero no interferómetro”, podrás pensar. Bueno, no vas descaminado. Un interferómetro radio no es otra cosa que un complejo de antenas que observa en frecuencias de radio (luz con longitudes de onda de milímetros o centímetros; la luz visible tiene longitudes de onda de media micra, siendo una micra igual a 0,0001 cm). Un dispositivo llamado correlador combina la señal recibida por cada pareja de antenas, provocando interferencias constructivas que informan sobre las propiedades de la fuente observada. Combinando todas las interferencias obtenidas durante un período largo de tiempo (8-12 horas) se pueden crear mapas del cielo en esas frecuencias de radio.

Vayamos por partes: no todas las componentes de las galaxias se pueden observar con telescopios ópticos. Con ellos sí vemos la componente estelar y detectamos la componente del gas nebular. Sin embargo, si queremos analizar la componente del polvo, es imprescindible moverse a las longitudes de ondas del infrarrojo, algunas de las cuales son sólo accesibles desde el espacio. Y para analizar la componente del gas neutro, la semilla de la formación estelar, es fundamental recurrir a la radioastronomía. Sólo estudiando la distribución de la línea del hidrógeno neutro a 21 cm podemos conocer cuanto material bruto hay disponible para que se creen nuevas estrellas. Así, sabemos que las galaxias elípticas, dominadas por estrellas viejas, apenas poseen gas y por eso no forman nuevas estrellas. Por el contrario, las galaxias espirales son ricas en gas hidrógeno, siendo en ellas comunes los fenómenos de formación estelar.

Pero hasta la fecha no se han observado muchas galaxias enanas starbursts con un interferómetro radio. Sorprendentemente, las que sí se han estudiado están proporcionando resultados inesperados. Por ejemplo, las detalladas observaciones ópticas que conseguimos con el telescopio VLT (Observatorio de Paranal, Chile) de la galaxia enana compacta NGC 5253 (uno de los objetos de mi tesis) no mostraban indicios evidentes de interacciones, a pesar de tener un brote de formación estelar muy intenso. Pero los nuevos datos en hidrógeno atómico conseguidos en los últimos meses con el radiointerferómetro Australia Telescope Compact Array (Narrabri, Nueva Gales del Sur, Australia) indican justo lo contrario: el gas neutro se mueve de forma distinta a como lo hacen las estrellas y muestra una morfología muy peculiar, que induce a pensar que ha sufrido una interacción en el pasado (puede que incluso con la cercana galaxia espiral M 83).

Todos los objetos con similares características a los que analicé en mi tesis que he observado en frecuencias de radio muestran evidencias claras de interacciones de galaxias. Dichas observaciones han desvelado colas extensas o nubes independientes de gas neutro, la rotación desordenada del gas, o la expulsión de hidrógeno atómico al medio intergaláctico. En esto tenemos una prueba adicional que apoya la idea de que las interacciones de objetos enanos y débiles, algunos sólo nubes de gas neutro con apenas estrellas, son la causa del disparo de los fuegos de artificio en las galaxias starbursts. ¡Pero no lo comentéis todavía por ahí, que tengo que publicar aún estos resultados!

Y, bien, ¿todo esto para qué sirve? Mi padre siempre me lo pregunta cuando le hablo de los misterios de las estrellas, nebulosas y galaxias. Obviamente, y aunque la tecnología empleada para llevar cabo estos estudios sí tiene aplicaciones directas, el conocer la composición del Universo y el porqué ocurren las cosas no tienen una utilidad práctica. Pero somos seres curiosos que, al igual que nos deleitamos con una obra de música o un cuadro abstracto, nos preguntamos por nuestros orígenes y queremos saber cómo hemos llegado a ser lo que somos. Actualmente, la teoría más aceptada sobre la formación y evolución de las galaxias sostiene que las enanas se formaron primero y que, por acreción y fusión de estas pequeñas entidades, se crearon posteriormente las galaxias mayores como las espirales o las elípticas (fusión de dos galaxias espirales). El modelo jerárquico también predice que las fusiones entre objetos enanos eran más comunes en el universo primitivo, muchas veces involucrando ya no dos sino más galaxias a la vez. El estudio detallado de la causa del disparo de la formación estelar en las galaxias enanas del universo cercano es fundamental a la hora de comparar y extender sus propiedades a las primitivas galaxias. Lo que estamos observando en estos objetos cercanos es, creemos, lo mismo que ocurrió cuando las primeras galaxias comenzaron a brillar poco después del principio del tiempo. Y así han llegado a evolucionar hasta crear galaxias espirales como la Vía Láctea, enriquecidas químicamente con los productos de varias generaciones de estrellas, y en donde se han formado ya no sólo estrellas y planetas, sino vida consciente que reflexiona sobre sus propios orígenes mirando en la oscuridad de la noche las profundidades del Cosmos.

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El autor

Ángel R. López Sánchez es Licenciado en Física Teórica. Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Actualmente investiga en el Australian Astronomical Observatory / Macquarie University (Sídney, Australia). Es astrónomo aficionado desde niño y autor del blog de divulgación astronómica "El Lobo Rayado".

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