Una vista macroscópica de las galaxias que nos detonan

Desde una perspectiva macro, vivimos en un universo lleno de galaxias. Estas galaxias son 100 mil millones de hermosos modelos de la formación y decadencia del universo. Algunas de ellas son ordenadas y otras caóticas, pero lo son. todo identificable de un vistazo. Afuera: una galaxia espiral normal, con sus brazos en diferentes ángulos con respecto a nuestra línea de visión desde la Tierra (desde el frente podemos ver los brazos, desde el costado también podemos ver el gas, como polvo, pasando a través de ellos). el centro de los brazos de las galaxias espirales, en las que ríos de gas, polvo y estrellas fluyen por el centro y conectan los dos extremos de los brazos espirales estables de las galaxias gigantes elípticas que contienen millones de estrellas, debido a la absorción o convergencia; de otras galaxias y se vuelven muy grandes; muchas galaxias elípticas enanas, galaxias enanas dentro de galaxias, cada una con millones de soles minúsculos; y muchos, muchos tipos diferentes de misteriosas galaxias irregulares que muestran lo que está sucediendo en el mundo galáctico. Cuantos errores se cometen; también hay galaxias en órbita, que están tan juntas que sus bordes están distorsionados por la gravedad de las galaxias compañeras, y hay casos en los que la gravedad arrastra largas cintas de gas y estrellas a medida que las galaxias forman un puente entre ellas.

Las galaxias miembros de algunos cúmulos de galaxias están dispuestas en una geometría esférica y están compuestas principalmente por galaxias elípticas. Entre ellas, tiende a dominar una galaxia elíptica gigante (la supuesta Galaxia Salvaje Galáctica). Por el contrario, otros cúmulos de galaxias dispuestos en geometrías más irregulares tienen un número considerable de galaxias espirales y de formas irregulares. Las colisiones de galaxias cambian la forma del cúmulo de galaxias esférico original y también pueden promover la evolución del cúmulo de galaxias de formas elípticas a espirales e irregulares. Las formas de las galaxias y su número nos cuentan una de las historias más espectaculares de acontecimientos antiguos, una historia que apenas estamos empezando a comprender.

El desarrollo de ordenadores de alta velocidad ha hecho posible realizar experimentos numéricos en decenas o decenas de miles de puntos en movimiento colectivo, cada uno de los cuales representa una estrella y cada uno de ellos se ve afectado por la atracción gravitatoria de otros puntos. En algunos casos, en galaxias que se han aplanado formando un disco, los brazos espirales se formaron enteramente por sus propias fuerzas. En ocasiones, los brazos espirales son causados ​​por fuertes choques gravitacionales entre dos galaxias, cada una de las cuales contiene miles de millones de estrellas. El gas y el polvo difusos de estas galaxias se calientan cuando chocan entre sí. Pero cuando dos galaxias chocan, debido a que las galaxias están en su mayoría vacías y la distancia espacial entre las estrellas es grande, las estrellas se atraviesan como balas a través de un enjambre. Cruzándose unos a otros sin esfuerzo. Aun así, la apariencia de la galaxia puede verse gravemente distorsionada. Un impacto directo de una galaxia sobre otra hace que las estrellas miembros de la galaxia fluyan hacia el espacio intergaláctico. La galaxia se desintegra. Cuando una galaxia pequeña choca frontalmente con una galaxia grande, se crea una de las galaxias irregulares más espectaculares y raras, una galaxia en forma de anillo de miles de años luz de diámetro, con un telón de fondo de espacio galáctico aterciopelado. Es un caso atípico temporal en un conjunto de galaxias donde las estrellas se han salpicado, hecho añicos y desintegrado. Una galaxia cuyo núcleo ha sido desarraigado.

Los puntos negros irregulares de la estructura galáctica irregular, los brazos espirales de las galaxias espirales y el toro de las galaxias en anillo parpadean en la sombra cósmica durante no más de unos pocos disparos, luego se disipan y luego tienden a formarse. de nuevo. Pensamos que las galaxias son objetos sólidos y extremadamente pesados, pero esto es en realidad una ilusión. Son estructuras fluidas compuestas por 100 mil millones de componentes similares a estrellas. Como los humanos. Es una colección de 100 billones de células, muy típicamente en un estado estable entre síntesis y descomposición, siendo el cuerpo entero mayor que la suma de sus partes. Lo mismo ocurre con las galaxias.

La tasa de suicidios en la galaxia es alta. Potentes fuentes de rayos X, radiación infrarroja y fuentes de ondas de radio son algunos ejemplos recientes. Su distancia es de unas decenas o cientos de millones de años luz. Sus núcleos son extremadamente brillantes, con fluctuaciones de luz que duran semanas seguidas. Algunas galaxias se están autodestruyendo, mostrando corrientes de radiación, columnas de hasta 1.000 años luz de largo y discos caóticos de polvo. Pueden existir agujeros negros de millones a miles de millones de veces más masivos que el Sol en los núcleos galácticos de galaxias elípticas gigantes como NGC 625 y M87.

Dentro de M87, una cosa enorme, extremadamente densa y extremadamente pequeña de un área más pequeña que el sistema solar seguía moviéndose como un reloj, emitiendo un gemido. Los agujeros negros son complejos, y hay objetos aún más complejos a miles de millones de años luz de distancia, los cuásares, que pueden ser el Big Bang de algunas galaxias jóvenes, el mayor evento en la historia del universo desde el Big Bang.

"Quasar" es la abreviatura de "fuente de radio cuasi estelar". Fueron llamados QSO (objetos cuasi estelares) después de que se descubrió que no eran todas fuentes de radio potentes. Debido a su apariencia de estrella, alguna vez fue natural suponer que eran estrellas de la Vía Láctea. Pero las observaciones espectroscópicas de sus corrimientos al rojo sugieren que pueden estar muy distantes. Pueden estar muy lejos. Parecen participar activamente en la expansión del universo y algunos de ellos se están alejando de nosotros a 90° la velocidad de la luz. Si realmente están muy lejos, entonces ellos mismos deben ser muy brillantes. Las rápidas fluctuaciones de Cygnus X-1 indican que su enorme brillo está encerrado en un espacio muy pequeño. Para verlos desde esa distancia, algunos Cygnus X-1 son tan brillantes como 1000 supernovas explotadas simultáneamente. Esto lo hace más pequeño que el tamaño del sistema solar. Debe haber alguna actividad enorme que provoque la salida masiva de energía del quásar. Hay muchas hipótesis al respecto, entre ellas: (1) los quásares son púlsares gigantes, que tienen un núcleo gigante que gira rápidamente y el núcleo está conectado a un fuerte campo magnético (2) los quásares están formados por estrellas densamente distribuidas en el núcleo; la Vía Láctea fue destrozada por múltiples colisiones de millones de estrellas. Temperaturas de hasta miles de millones de grados dentro de estrellas masivas están expuestas a todo el campo de visión (3) Una idea relacionada es que los quásares también son galaxias, en las que las estrellas están muy juntas y la explosión de supernova de un quásar despegará; otro La capa exterior del cuásar hace que se convierta en una supernova, produciendo así una reacción en cadena estelar (4) El poder del cuásar proviene de la fuerte interacción entre la materia y la antimateria que aún está más o menos retenida dentro del cuásar; desde el principio hasta el presente; (5) Los cuásares son un tipo de energía liberada cuando el gas, el polvo y las estrellas caen en el agujero negro masivo en el núcleo de la galaxia, y el propio agujero negro puede ser producto de la colisión y la condensación. proceso de agujeros negros más pequeños durante muchos años (6) Los cuásares actúan como la antítesis de los agujeros negros, los "agujeros blancos", un proceso que permite la recolección y visualización de material inyectado en una gran cantidad de agujeros negros en otras partes del universo y Incluso otros universos.

Mientras estudiamos los quásares, nos encontramos con muchos secretos profundos. Cualquiera que sea la causa de la explosión del quásar, una cosa parece obvia: acontecimientos tan extremadamente violentos deben causar daños incalculables. Durante cada explosión de quásar, millones de mundos -algunos con vida e inteligencia capaces de comprender lo que está sucediendo- podrían quedar completamente destruidos. El estudio de las galaxias revela el orden cósmico y la belleza cósmica al mismo tiempo que nos muestra un caos violento hasta ahora inimaginable incluso en nuestros sueños. Es extraordinario que vivamos en un universo que permite que exista vida; es igualmente extraordinario que vivamos en un universo que destruye galaxias, destruye estrellas y destruye mundos. Para criaturas diminutas como nosotros, el universo parece no tener ni buenas ni malas intenciones, sólo indiferencia.

Incluso un planeta aparentemente educado como la Vía Láctea tiene sus momentos emocionantes. Las observaciones de radio mostraron que dos enormes nubes de hidrógeno, lo suficientemente grandes como para formar millones de soles, cayeron del centro de la Vía Láctea, como si de vez en cuando se produjeran allí pequeñas explosiones. Un observatorio de alta energía que orbita alrededor de la Tierra ha descubierto que el centro de la Vía Láctea es una enorme fuente de un espectro de rayos gamma único, lo que es totalmente coherente con la idea de que en el centro de la galaxia se esconde un enorme agujero negro. Las galaxias como la Vía Láctea pueden estar en una edad media estable de procesos evolutivos en curso; dichas galaxias contienen quásares y galaxias en explosión en una intensa adolescencia, y debido a que estos quásares están tan lejos solo vemos su adolescencia. Así era hace miles de millones de años. .

Las estrellas de la Vía Láctea se mueven con gracia y facilidad. Los cúmulos globulares se precipitan a través del plano plateado y salen por el otro lado, sólo para reducir la velocidad y regresar.

Si pudiéramos rastrear una estrella específica y observar su movimiento único mientras se precipitan a través de un plano plateado, encontraríamos que se parecen a una olla de nachos. La razón por la que nunca hemos visto un cambio tan dramático en la forma de una galaxia es porque este proceso lleva mucho tiempo. La Vía Láctea tarda 250 millones de años en completar una revolución. Si aceleramos la rotación de la Vía Láctea, vemos que la Vía Láctea es una entidad activa, casi orgánica, algo así como un organismo multicelular. Una imagen astronómica de cualquier estrella es sólo una instantánea de una etapa de su lento movimiento y evolución. Las regiones internas de las galaxias giran como un sólido. Pero, más allá de eso, el movimiento de rotación en sus regiones exteriores también se desacelera gradualmente, como un planeta que orbita alrededor del sol, siguiendo la tercera ley de Kepler. Sus brazos espirales se envuelven gradualmente alrededor de su núcleo y los vórtices continúan apretándose, mientras que el gas y el polvo se acumulan en vórtices más densos. Estos vórtices se convierten en sitios de formación de estrellas jóvenes, calientes y brillantes, delineando sus brazos espirales. Estas estrellas brillan durante unos 10 millones de años, sólo 5 del período de rotación de la Vía Láctea. Pero a medida que las estrellas que delinean los brazos exteriores de la espiral se apagan, se forman nuevas estrellas y nebulosas asociadas, y el patrón de la espiral continúa sin cambios. Las estrellas que delinean los brazos exteriores viven mucho menos que el tiempo que le toma a la Vía Láctea girar una vez, dejando solo patrones arremolinados.

Las velocidades de las estrellas que orbitan alrededor del centro galáctico a menudo difieren de las velocidades de las estrellas en los brazos espirales. El Sol gira alrededor del centro de la Vía Láctea a 200 kilómetros por segundo (unos 500.000 kilómetros por hora) y normalmente entra y sale de los brazos espirales 20 veces más rápido. El Sol y sus planetas pasan una media de 40 millones de años en los brazos espirales, 80 millones de años fuera de los brazos espirales, otros 40 millones de años dentro de los brazos espirales, y así sucesivamente. Los brazos espirales delinean regiones donde recientemente se han formado muchas estrellas nuevas, pero no necesariamente donde se encuentran estrellas de mediana edad como el Sol. Hoy en día vivimos entre brazos en espiral.

El periodo en el que el sistema solar se mueve a través de sus brazos espirales puede tener importantes consecuencias para nosotros. Hace unos 10 millones de años, el Sol emergió del Cinturón de Goode en el Brazo de Orión. El Brazo de Orión está ahora a poco más de 1.000 años luz de distancia (dentro del Brazo de Orión está el Brazo de Sagitario; el Brazo de Perseo está fuera del Brazo de Orión). A medida que el Sol se mueve a través de los brazos espirales, es más probable que entre en nubes de gas y polvo interestelar, y que encuentre objetos de masa subestelar que en la actualidad. Algunos creen que las grandes edades de hielo en nuestro planeta pueden haber sido causadas por material interestelar entre el Sol y la Tierra. W. Napier y S. Crapo propusieron que aproximadamente cada 100 millones de años aproximadamente, muchos satélites, asteroides, cometas y anillos que orbitaban alrededor de planetas del sistema solar alguna vez vagaron libremente en el espacio interestelar y no fueron capturados hasta que el sol pasó sobre la espiral de Orión. brazo. Si bien es poco probable, es una idea fascinante y mensurable. Todo lo que tenemos que hacer es intentar obtener muestras de algo como las lunas interiores o los cometas de Marte y examinar sus isótopos de magnesio. La abundancia de isótopos de magnesio (mismo número de protones pero diferente número de neutrones) depende del resultado preciso de los eventos de fusión nuclear estelar que produjeron una muestra específica de magnesio. Esto incluye el marco temporal de las explosiones de supernovas cercanas. En diferentes rincones de la galaxia, los eventos tienen diferentes resultados y las proporciones de isótopos de magnesio son siempre diferentes.

El descubrimiento del Big Bang y el regreso de las galaxias se debe a un fenómeno natural común: el efecto Doppler. Estamos acostumbrados al efecto Doppler en física acústica. Cuando un automóvil pasa a toda velocidad por nuestro lado y el conductor presiona la bocina, lo que escuchamos dentro del automóvil es un pitido suave de tono fijo; lo que escuchamos fuera del automóvil son cambios de tono característicos. Para nuestros oídos, el sonido de la bocina se transmite de alta frecuencia a baja frecuencia. Un coche de alta velocidad que viaja a 200 kilómetros por hora es casi una ola continua de altas y bajas en el aire. Cuanto menor es la distancia entre las olas, mayor es el tono. Si un coche pasa junto a nosotros, estira las ondas sonoras, que nos parecen de tono más bajo, produciendo el sonido característico que conocemos. Si un automóvil se acerca a nosotros, las ondas sonoras se comprimen, su frecuencia aumenta y escuchamos un sonido agudo. También podemos cerrar los ojos y adivinar la velocidad del coche en función de los cambios de tono.

Efecto Doppler. Una fuente estacionaria de luz o sonido emite un conjunto de ondas circulares. Si la fuente de sonido se mueve de derecha a izquierda. El centro de la onda irá del 1 al 6. Un observador en B ve un alargamiento de la onda, mientras que un observador en A ve un acortamiento de la onda. Las fuentes de sonido distantes se ven desplazadas al rojo (la longitud de onda se vuelve más larga) y las fuentes de sonido cercanas se ven desplazadas al azul (la longitud de onda se vuelve más corta). El efecto Doppler es clave para la cosmología.

La luz también es una ola. A diferencia del sonido, la luz viaja fácilmente a través del vacío. Aquí también entra en juego el efecto Doppler. Si un automóvil, por alguna razón, emite una luz amarilla fija frente a él en lugar de emitir un sonido. Luego, a medida que el coche se acerca a nosotros, la frecuencia de la luz disminuye ligeramente. A velocidades normales, este efecto es difícil de detectar. Sin embargo, si logramos hacer que el auto viaje a una fracción de la velocidad de la luz, podemos observar que el color de la luz cambia a una frecuencia mayor, es decir, a medida que el auto se acerca a nosotros, el color de la luz se acerca al azul. Y cuando un automóvil pasa junto a nosotros, el color de la luz cambia a una frecuencia más baja, más cercana al rojo. Podemos sentir que los objetos que se acercan a nosotros a velocidades muy altas tienen colores espectrales desplazados hacia el azul; los objetos que se alejan de nosotros a velocidades muy altas tienen líneas espectrales desplazadas hacia el rojo. (iii) Interpretar los desplazamientos hacia el rojo observados en las líneas espectrales de galaxias distantes como efecto Doppler es clave para la cosmología.