Impresión artística de la Vía Láctea vista desde el exterior. El estudio descrito aquí va un paso más allá al mostrar lo que obtendrían los astrónomos extragalácticos si estudiaran nuestra Vía Láctea desde lejos. Fuente: Stefan Payne-Wardenaar
Los científicos han reconstruido lo que los astrónomos alienígenas que observan nuestra Vía Láctea desde lejos encontrarían si analizaran la composición química de nuestra galaxia natal. El estudio, que está siendo realizado por científicos del Instituto de Astronomía. Max Planck, es relevante para nuestra propia comprensión del cosmos: permite un nuevo tipo de comparación entre nuestra galaxia natal y las muchas galaxias distantes que observamos desde el exterior. Los resultados proporcionan parte de la respuesta a la vieja pregunta de si nuestra galaxia natal es única: al menos en términos de su composición química, la Vía Láctea es inusual, pero no única.
Vemos galaxias distantes desde el exterior: las observaciones telescópicas nos muestran la forma de la galaxia y su espectro (la distribución de la luz del arco iris de la galaxia). Entonces, ¿cómo se vería nuestra propia galaxia desde esta perspectiva para un astrónomo alienígena distante? Esta es una pregunta engañosamente simple. Después de todo, los astrónomos de la Tierra han desarrollado algunas formas bastante ingeniosas de derivar las propiedades de las galaxias a partir de lo que observamos, y es probable que los astrónomos del espacio exterior tengan una visión igualmente sofisticada de la Vía Láctea.
Con métodos de análisis más sofisticados, no es nada fácil saber qué encontrarían los astrónomos extraterrestres si aplicaran estos métodos a nuestra galaxia natal. Pero la ganancia puede ser significativa. Jianhui Lian (Instituto Max Planck de Astronomía y Universidad de Yunnan), autor principal del estudio, que se publicó en astronomía de la naturalezadice: “Encontrar formas de comparar nuestra galaxia natal con galaxias más distantes es lo que necesitamos si queremos saber si la Vía Láctea es única o no. Esta ha sido una pregunta abierta desde que los astrónomos se dieron cuenta hace un siglo de que la Vía Láctea no es la única galaxia en el universo”.
Grandes avances en datos y simulación
Si bien la pregunta puede ser antigua, parece que la astronomía ahora está en una buena posición para dar una respuesta sólida. Primero, ha habido un tremendo progreso en el estudio sistemático de nuestra galaxia natal durante la última década. Ha habido encuestas, como APOGEE, que brindan información sobre la composición química, las propiedades físicas y los movimientos 3D de millones de estrellas individuales en nuestra Vía Láctea, deducidos de sus espectros. La sonda Gaia de la ESA ha rastreado el brillo, el movimiento y la distancia de casi 1500 millones de estrellas en nuestra galaxia natal.
También hay muchos más y mejores datos para galaxias distantes. El sondeo MaNGA inspeccionó casi 10.000 galaxias en profundidad. Mientras que estudios previos centrados en tantas galaxias proporcionarían solo un espectro general por galaxia, MaNGA pinta una “imagen espectral” que muestra cómo la composición química de cada galaxia varía desde el centro hasta las regiones exteriores.
Finalmente, ahora hay simulaciones modernas de formación y evolución de galaxias como simulación TNG50 que traza la historia de miles de galaxias en el universo modelo desde el Big Bang hasta el presente. Todos estos cambios fueron necesarios para que pudiéramos predecir lo que verían los astrónomos extraterrestres cuando apuntaran sus telescopios a la Vía Láctea y trataran de reconstruir la química de la galaxia.
Astrónomos alienígenas adivinando
Esto es exactamente lo que ha hecho una nueva investigación dirigida por Lian y Maria Bergemann (Instituto Max Planck de Astronomía). En particular, Lian, Bergemann y sus colegas consideraron la composición química de las estrellas. Las estrellas que vemos a nuestro alrededor están compuestas principalmente de hidrógeno y helio, pero también hay algunos elementos más pesados que el helio, elementos que en astronomía (¡pero no en química ordinaria!) se denominan “metales”.
Algunos de estos metales se producen dentro de las estrellas y se expulsan al espacio cuando las estrellas masivas explotan al final de sus vidas. Otros se producen en las capas exteriores de estrellas gigantes hinchadas y se desplazan desde allí hacia el espacio. Lo que es más importante, hay una tendencia general: la concentración de metales en el medio interestelar, la mezcla de gas y polvo de baja densidad que llena el espacio entre las estrellas, aumenta con el tiempo. Las estrellas nacidas antes contienen menos metales, las estrellas nacidas más tarde contienen más. Mapeando en qué regiones de la galaxia hay estrellas con más o menos metales, es posible averiguar en qué región se formaron las estrellas antes y en cuáles después.
De la cosmología local a una perspectiva alienígena
Nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, es actualmente la única galaxia espiral donde podemos realizar directamente un estudio a gran escala de estrellas individuales, midiendo su ubicación en nuestra galaxia y usando el espectro para determinar el contenido de metal, la temperatura de la superficie y otros factores físicos. propiedades. Lian, Bergemann y sus colaboradores se propusieron reconstruir lo que observarían los astrónomos extraterrestres si mapearan la distribución de metales en la Vía Láctea. Dado que nuestra galaxia de origen es una galaxia de disco, la pregunta clave es ¿cómo vería un astrónomo extraterrestre distante las diferencias en la abundancia de metales dependiendo de la distancia de la región al centro de nuestra galaxia?
Esta reconstrucción requiere trabajo. Los datos del estudio APOGEE fueron solo un punto de partida. A continuación, los científicos tuvieron que tener en cuenta el hecho de que desde la Tierra tenemos una vista “nublada” de la Vía Láctea: en algunas direcciones habrá más polvo entre nosotros y las estrellas más distantes, atenuando la luz de las estrellas y ocultando algunas de las estrellas más débiles en general. . Habrá menos polvo en otras direcciones. Los científicos tuvieron que combinar datos de observación con lo que sabemos sobre el polvo y las propiedades estelares para reconstruir la distribución real de las estrellas en nuestra galaxia.
El “cinturón” altamente metálico de nuestra galaxia.
Los resultados fueron algo sorprendentes. Si rastrea el contenido promedio de metal de las estrellas desde el centro galáctico hacia afuera, aumentará, alcanzando un contenido de metal similar al de nuestro sol a una distancia de aproximadamente 23,000 años luz del centro. (A modo de comparación: nuestro Sol está a unos 26.000 años luz del Centro Galáctico). Más lejos, el contenido medio de metales cae de nuevo, cayendo a alrededor de un tercio del valor del Sol a unos 50.000 años luz del Centro.
Para entender lo que estaba pasando, los científicos observaron estrellas de diferentes edades por separado: los espectros APOGEE permiten al menos una estimación aproximada de la edad de las estrellas. Al observar estrellas más jóvenes y más viejas por separado, descubrieron que cada grupo de edad básicamente seguía una tendencia continua con un mayor contenido de metales más cerca del centro y un contenido de metales más bajo más lejos. El aumento y máximo de la distribución general se debió únicamente a que las estrellas más viejas (con un contenido de metal mucho menor) eran más abundantes cerca del centro galáctico y, por lo tanto, redujeron el promedio general, pero las estrellas más jóvenes aparecieron con mayor frecuencia.
Comparación de nuestra Vía Láctea con otras galaxias
Lian, Bergemann y sus colegas compararon este interesante resultado con las propiedades de otras galaxias. Por un lado, en la encuesta MaNGA, observaron 321 galaxias, todas las cuales tienen masas similares a la Vía Láctea, producen una cantidad similar de estrellas y todas son visibles desde arriba, por lo que se pudo medir el cambio en la metalicidad promedio. . Por otro lado, los investigadores utilizaron los mismos criterios para identificar 134 galaxias similares a la Vía Láctea en el universo modelo de la simulación TNG50.
Entonces, ¿qué tan especial es nuestra galaxia natal, o no? La respuesta proporcionada por este estudio: cuando se trata de la distribución de la abundancia de metales, nuestra galaxia, la Vía Láctea, es inusual, pero no única. Solo el 11% de las galaxias en la muestra TNG50 y aproximadamente el 1% de las galaxias en la muestra MaNGA mostraron aumentos y disminuciones similares en la metalicidad media. La discrepancia entre el 11 % y el 1 % probablemente se deba a una combinación de incertidumbres en los datos de MaNGA y las limitaciones de las simulaciones realistas en el universo del modelo TNG50.
Además, en las regiones exteriores, la disminución de la metalicidad promedio al aumentar la distancia desde el centro es más rápida para la Vía Láctea en comparación con las galaxias MaNGA y TNG50.
La pregunta del “por qué”
Entonces, ¿por qué la Vía Láctea tiene propiedades inusuales y qué significan estas propiedades para la historia de formación de nuestra galaxia natal? Hay varias formas de explicar la relativa escasez de estrellas ricas en metales cerca del centro galáctico. Esta característica puede estar relacionada con la formación del llamado bulto, una región aproximadamente esférica de una estrella más vieja que rodea el centro galáctico a una distancia de unos 5.000 años luz. La formación de protuberancias consumiría la mayor parte del hidrógeno disponible, lo que dificultaría en gran medida la posterior formación de estrellas. Alternativamente, la deficiencia podría estar relacionada con una fase activa en la que el agujero negro supermasivo central de nuestra galaxia arroja partículas y radiación desde su vecindad inmediata, lo que inhibe la formación de estrellas.
La metalicidad en las regiones exteriores puede explicarse por varios escenarios que vinculan la evolución del gas en nuestra galaxia de origen con la historia de la formación de estrellas en todo el disco galáctico. La fuerte disminución podría ser un signo de un episodio inusual en la historia de nuestra galaxia: digamos que nuestra galaxia anfitriona se traga una galaxia más pequeña con gas que contiene muy poco metal. Este gas fue luego utilizado como materia prima para la formación de estrellas con menos metal en el disco. También es posible que nuestra estimación de la extensión del disco estelar de la Vía Láctea sea incorrecta y que este error distorsione la comparación con otras galaxias en términos de cuán pronunciada es la caída.
perspectivas
Maria Bergemann dice: “¡Los descubrimientos son muy emocionantes! Por primera vez, podemos comparar significativamente la composición química detallada de nuestra galaxia con las mediciones de muchas otras galaxias. Los resultados son importantes para la próxima generación de estudios integrales de formación de galaxias, que utilizarán datos de los próximos programas de observación a gran escala dirigidos a la Vía Láctea o galaxias distantes. Nuestra investigación muestra cómo combinar juiciosamente dos tipos de conjuntos de datos”.
En general, la investigación descrita aquí plantea muchas preguntas interesantes. Con nuevas encuestas y nuevas investigaciones que exploran la perspectiva del ‘astrónomo alienígena’, podemos esperar encontrar respuestas y comprender mejor la historia de nuestra galaxia natal en el proceso.
Proporcionado por la Sociedad Max Planck