2 de Diciembre de 2022
Astrofísica

El halo galáctico es más irregular y complejo de lo esperado

El halo galáctico, la nube de estrellas antiguas que envuelve el disco y el bulbo central de nuestra galaxia, tiene forma alargada y una estructura interna que revela una historia compleja.

El sistema UGC 5101 está formado por dos galaxias en proceso de coalescencia. La fusión de galaxias deja tras de sí estructuras que conservan durante mucho tiempo información sobre las circunstancias del choque y parece haber desempeñado un papel relevante en la formación del halo de nuestra galaxia. [NASA, ESA, Colaboración Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble y A. Evans (Universidad de Virginia en Charlottesville/NRAO/Universidad de Stony Brook)]

La exploración de nuestra galaxia en el siglo XXI nos está llevando de las expectativas de orden heredadas de décadas anteriores al descubrimiento de la complejidad de un sistema estelar atormentado por turbulentas fusiones y colisiones.

Los libros de texto describen la estructura de la galaxia en términos sencillos: consta de un disco, un bulbo central y un halo. El disco es plano, como una rueda formada por estrellas y material interestelar, y presenta brazos espirales que le confieren un aspecto parecido a una ensaimada. El bulbo central es una gran nube de estrellas «clavada» en el centro del disco, con la forma de una esfera muy achatada por los polos y que alberga en su núcleo el agujero negro supermasivo de Sagitario. El halo envuelve todo lo anterior y consiste en una estructura mucho menos densa y luminosa que contiene estrellas y cúmulos estelares globulares.

Esa visión simple y ordenada se ha ido complicando con el paso de las décadas. Primero apareció la materia oscura, un ingrediente inesperado que hoy se considera presente en las tres estructuras de la galaxia. La necesidad de la materia oscura se hizo evidente en los años 60 del siglo pasado, cuando Vera Rubin demostró que la materia visible no bastaba para explicar los movimientos observados en la componente estelar de las galaxias espirales. La astrofísica moderna lleva más de medio siglo persiguiendo esa misteriosa forma de materia, sin haber logrado aún ni detectarla ni deshacerse de ella.

A finales del siglo XX, se esperaba que la fracción visible de la galaxia presentara características suaves y ordenadas. Pero, con los grandes estudios sobre el movimiento de los objetos que pueblan el sistema, esa imagen ha experimentado un cambio radical. Las observaciones realizadas desde el suelo y desde el espacio han revelado que el disco galáctico es un reino turbulento, repleto de corrientes estelares, grumos y deformidades. Dos satélites de la ESA (Hipparcos en el siglo XX y, ahora, Gaia) han puesto de manifiesto que nuestra galaxia es de tipo barrado, que el disco no es del todo plano, sino alabeado, y que las órbitas de las estrellas que contiene se rigen por una mezcla desconcertante de orden y caos.

Tamaño, forma y orientación espacial del elipsoide de tres ejes que, según el <a href="https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac97e9/pdf">estudio</a> de Han y sus colaboradores, describe mejor la forma de la componente estelar del halo galáctico. El elipsoide está representado en su orientación correcta respecto del disco galáctico, y un punto rojo señala la posición aproximada del Sol. [<a href="https://www.cfa.harvard.edu/sites/default/files/styles/max_650x650/public/2022-11/cfa-030-stellar_halo_illO-sm.png">Melissa Weiss/Centro Smithsoniano de Astrofísica de Harvard</a>]

Aun así, todavía cundía el convencimiento de que el halo galáctico tenía un carácter regular, con forma simétrica (esférica o de esferoide achatado) y una distribución de estrellas ordenada y suave. Pero, en tiempos recientes, incluso esta componente galáctica venía mostrando síntomas de poseer una complejidad inesperada. Ahora, una investigación internacional que combina datos del satélite Gaia con los del sondeo H3 ha mostrado que el halo galáctico también es una región compleja y atormentada.

El trabajo recién publicado aúna los esfuerzos de equipos procedentes de Canadá, Estados Unidos y Australia. Junto a la calidad del catálogo de la misión Gaia de la ESA, el artículo firmado por Jiwon Jesse Han y sus colaboradores recurre al sondeo H3, una de las grandes exploraciones del cielo emprendidas desde la superficie. Este proyecto utiliza el gran telescopio MMT, de 6,5 metros de diámetro, equipado con el instrumento Hectoschelle, un aparato capaz de obtener de manera simultánea los espectros de 250 objetos en el campo de visión del telescopio. El sondeo H3 aplica dicho instrumento a estrellas con una alta probabilidad de pertenecer al halo galáctico. De este modo, ha sido posible analizar la distancia, composición química y movimiento de más de 250.000 estrellas, y aún se siguen acumulando más datos.

Tras retirar de la muestra las estrellas pertenecientes al disco galáctico o a otras estructuras anejas, como la corriente estelar de Sagitario, el estudio ha encontrado que el halo galáctico posee una rica estructura interna. El análisis de casi seis mil estrellas representativas indica que esta componente galáctica, lejos de ser esférica, presenta la forma de un elipsoide de tres ejes, es decir, de un balón de rugby algo aplastado. Además, el eje longitudinal de esa estructura no está alineado con el plano del disco, sino que se eleva 25 grados sobre el mismo, y apunta en una dirección que se aparta otro tanto de la línea que une el centro galáctico con el Sol. Esa dirección tampoco guarda relación con la barra central.

Los estudios anteriores identificaban tan solo una discontinuidad o cambio de comportamiento en la distribución de las estrellas del halo galáctico. Cada equipo de investigación trabajaba con sus propios datos e identificaba una discontinuidad que tendía a estar, o bien a unos 20, o bien a unos 30 kilopársecs (65.000 o 98.000 años luz) del centro galáctico. Gracias a la cantidad y calidad de sus datos, así como a su distribución sobre el cielo, el análisis de Jiwon Jesse Han y sus colaboradores identifica dos discontinuidades y apunta a que las investigaciones anteriores solo detectaban una de ellas. El eje horizontal de la gráfica muestra la distancia al centro galáctico (en kilopársecs), y el vertical, una medida de la probabilidad de que exista una discontinuidad en el halo. La línea roja corresponde al presente estudio y el resto de curvas representan resultados anteriores. Un kilopársec equivale a 3260 años luz. [Fuente: «<a href="/%20https:/iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac97e9/pdf">The stellar halo of the Galaxy is tilted and doubly broken</a>», Jiwon Jesse Han et al. en <em>The Astronomical Journal</em>, vol. 164, págs. 249-264, diciembre de 2022.]

Las sorpresas no acaban ahí, porque los autores han comprobado que las estrellas que componen el halo se organizan en capas superpuestas con densidades y movimientos diferenciados, con cambios de comportamiento abruptos a distancias de 39.000 y 91.000 años luz del centro galáctico. Recordemos que el Sol dista unos 28.000 años luz del centro de la galaxia y que el radio del disco visible asciende a 40.000 años luz.

Esa complejidad se interpreta como un reflejo del origen del sistema. Antes predominaba la idea de que todo el halo galáctico debió de formarse in situ, como parte del mismo proceso que condujo a conformar, en fases sucesivas, el bulbo y el disco de la galaxia. Sin embargo, el tiempo ha demostrado la enorme importancia de los procesos de acreción y fusión de galaxias, que han servido para integrar sistemas más pequeños en el nuestro a lo largo del tiempo. Estos mecanismos de «canibalismo entre galaxias» han marcado la historia y la estructura del disco. Los autores del estudio defienden que la mayor parte del halo también se originó en episodios de coalescencia con galaxias menores y argumentan, incluso, que las discontinuidades estructurales reflejan los detalles de la órbita que siguió una galaxia enana mientras era devorada por la nuestra, hace unos diez mil millones de años.

La materia oscura solo puede estudiarse a través de sus efectos gravitatorios sobre la materia visible. Es posible que, en un futuro cercano, el análisis detallado del halo visible conduzca a resultados nuevos e inesperados sobre la distribución de materia oscura en esa región de nuestra galaxia.

David Galadí-Enríquez

Referencia: «The stellar halo of the Galaxy is tilted and doubly broken». Jiwon Jesse Han et al. en The Astronomical Journal, vol. 164, págs. 164-179, diciembre de 2022.

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