Supervientos galácticos

Los supervientos pueden darnos las claves para resolver algunas de las incertidumbres más acuciantes relativas a la formación y evolución de las galaxias

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Montserrat Villar
CAB, INTA-CSIC
Tags: superviento galáctico, formación y evolución galáctica

Aunque la primera imagen que nos puede sugerir la palabra “superviento” sea la de un huracán devastador, en astronomía no nos referimos a eso. Los supervientos galácticos pueden generarse en una galaxia por multitud de estrellas y/o por el agujero negro que ocupa su centro (el núcleo). Por otro lado, y de aquí viene el nombre de superviento, existen ciertas similitudes con los huracanes terrestres, como la capacidad de generar enormes cantidades de energía y de transportar materia a grandes distancias. Ambos fenómenos producen estragos allí por donde pasan. Salvo esto, las escalas de tiempo, espacio y potencia que caracterizan los huracanes más destructivos son comparativamente minúsculos. Los supervientos galácticos son procesos extraordinarios cuyos efectos son imposibles de imaginar en la vida cotidiana. Para comprender su magnitud y sus consecuencias es necesario situarlos en su verdadero escenario: las galaxias.

Las causas: ¿cómo se produce un superviento galáctico?

Los supervientos pueden ser generados por estrellas y por agujeros negros supermasivos en los núcleos galácticos.

Las estrellas no solo emiten radiación, sino también partículas. La emisión de partículas a alta velocidad es lo que llamamos viento estelar. El propio Sol emite un viento que de vez en cuando oímos mencionar en las noticias por las posibles complicaciones que puede producir en los sistemas de comunicación terrestres. Los vientos estelares más potentes son capaces de provocar que una estrella pierda masa a un ritmo hasta mil millones de veces mayor que nuestro Sol.

Superviento de la galaxia NGC 3079. Fuente: NASA/CXC /U. North Carolina/G. Cecil.

 

La intensidad de estos vientos estelares y los mecanismos que los generan varían según la masa y la edad de la estrella. Así, las estrellas jóvenes de gran masa, que son muy calientes y luminosas, emiten una radiación tan intensa que la propia presión ejercida por esta sobre la materia es capaz de empujar las partículas de su envoltura, acelerarlas a velocidades de cientos o miles de kilómetros por segundo y transportarlas muy lejos en el medio interestelar. Dichos vientos pueden llegar a expulsar gran parte o incluso la totalidad de la envoltura estelar, como es el caso de las estrellas Wolf Rayet. Las explosiones de supernova generan también poderosos vientos que inyectan asimismo grandes cantidades de energía y partículas en el medio interestelar.

En la galaxias donde se forman muchas estrellas simultáneamente los efectos combinados de los vientos individuales dan lugar a un superviento. Es el caso de las llamadas galaxias starburst, que se caracterizan por una actividad frenética de formación de estrellas. Las interacciones gravitatorias entre galaxias son un mecanismo muy eficiente capaz de disparar brotes de formación estelar de gran intensidad (imagen superior).

El segundo mecanismo capaz de generar un superviento está asociado con la actividad de los agujeros negros galácticos. Sabemos hoy que todas las galaxias masivas contienen un agujero negro de masa enorme en su núcleo. En la mayoría, como es el caso de la Vía Láctea, se halla en estado latente, pero en  las galaxias “activas”, como los cuásares (imagen pág. contigua), presenta una actividad violenta debido a que está siendo abundantemente alimentado con combustible (gas). Esto da lugar a fenómenos extremadamente energéticos que hacen que la luminosidad de estas galaxias sea enorme, hasta cientos de veces mayor que la de galaxias no activas como la nuestra. A medida que el agujero negro “engorda” mediante el acrecimiento de materia, es capaz de liberar una cantidad de energía equivalente a cien veces la energía gravitatoria de la galaxia que lo hospeda. Una de las consecuencias es la generación de supervientos debido a la aceleración del gas existente en la vecindad del agujero negro y/o la expulsión de chorros de plasma que se desplazan a velocidades de decenas de miles kilómetros por segundo, recorriendo distancias que a menudo superan el tamaño de las galaxia.

Interacciones galácticas en el universo lejano. Las interacciones gravitatorias entre las galaxias a menudo disparan intensos brotes de formación estelar. Las estrellas más masivas generarán vientos estelares que, combinados con explosiones de supernova, pueden dar lugar a  supervientos. Dado que las interacciones galácticas fueron muy frecuentes en el pasado, cuando el universo era más joven, los supervientos podrían haber jugado un papel fundamental en las etapas iniciales de formación y evolución de muchas galaxias. Fuente: NASA/ESA.

 

Cabe esperar que todas las galaxias hayan albergado supervientos en algún momento de su existencia

 

La evidencia: ¿cómo los identificamos?

En 1963 se anunciaba el descubrimiento de “una explosión” en el centro de  M82, la galaxia starburst más cercana, situada a unos doce millones de años luz en el universo local. Los autores describían un complejo sistema de filamentos de gas ionizado que parecían expandirse a más de mil kilómetros por segundo desde el centro galáctico hasta una distancia de unos diez mil años luz por encima y debajo del plano de la galaxia. Era el primer paso en el estudio del que se ha convertido en prototipo de superviento galáctico, y que por ello ha dado lugar a la publicación de más de mil artículos. Imágenes espectaculares, como la mostrada en la página 10, muestran el superviento bipolar generado en el centro galáctico por un brote prodigioso de formación estelar.

Esta imagen artística muestra un cuásar en el centro de una galaxia elíptica. La activación del agujero negro nuclear ha generado un superviento que ha dado lugar a la eyección de material galáctico a gran velocidad. La detección de gas muy caliente emisor de rayos X alrededor de algunos cuásares y a muchos miles de años luz de distancia del agujero negro nuclear es evidencia observacional de la existencia de supervientos. Este mecanismo se ha propuesto como solución a algunos de los misterios más acuciantes relativos a la formación y evolución de las galaxias.Fuente: NASA/CXC/M.Weiss.

En su avance, los supervientos chocan con el medio interestelar por el que se propagan, transfiriéndole parte de su energía y, de este modo, barriéndolo, acelerándolo, calentándolo e ionizándolo. Es esta interacción con el gas circundante lo que los pone de manifiesto. Dadas las cantidades enormes de energía producida, masa transportada y distancias recorridas por los supervientos, tienen un impacto dramático y observable en las propiedades físicas, morfológicas y cinemáticas del medio interestelar, en ocasiones apreciables incluso más allá de las fronteras de las galaxias que los albergan, en el medio intergaláctico.

 

El aspecto morfológico del gas puede revelar la presencia de supervientos en el caso de galaxias cercanas como M82. Sin embargo, esta estrategia en general es difícil de aplicar en galaxias lejanas, debido a que son objetos débiles para los que, además, la información espacial (y por tanto morfológica) es mucho más limitada. El estudio cinemático, que caracteriza los movimientos del gas mediante la técnica de la espectroscopía, constituye un método mucho más eficiente. Es capaz de revelar desplazamientos a grandes velocidades incompatibles con la acción de la gravedad y consistentes con lo esperado si el gas está siendo acelerado por un superviento. Gracias a esta técnica, en los cincuenta años transcurridos desde el descubrimiento del superviento en M82 se ha hallado evidencia cinemática de este fenómeno en miles de galaxias, tanto activas como starburst; estos hallazgos abarcan desde las épocas más remotas en que las galaxias se estaban ensamblando hasta el presente.

¿Por qué son importantes?

Decíamos más arriba que los mecanismos que generan supervientos tienen máxima eficiencia en las galaxias con una actividad de formación estelar frenética y aquellas en las que el agujero negro supermasivo está activo. Dado que todas las galaxias han pasado por etapas en las que la formación de estrellas ha sido especialmente intensa y que es probable que el agujero negro nuclear de las galaxias masivas haya atravesado períodos activos, cabe esperar que todas hayan albergado supervientos en algún momento de su existencia.

Por todo ello se cree en la actualidad que los supervientos son un mecanismo común en la vida de las galaxias. No solo eso, sino que es posible que hayan tenido un impacto dramático en la formación y evolución de las mismas. Pueden, de hecho, darnos las claves para resolver los severos problemas con los que se enfrentan las teorías sobre evolución galáctica cuando son contrastadas con las observaciones. El estudio observacional de los supervientos es hoy por hoy una carrera de fondo cuya meta es demostrar si realmente son la solución. Veamos algunos ejemplos.

 

Agujeros negros y galaxias

El bulbo es uno de los componentes de la estructura de muchas galaxias, como las espirales. Ocupa el centro del disco (este contiene los brazos espirales) y alberga la mayor densidad de estrellas. Tiene forma alargada y en su centro se halla el agujero negro nuclear supermasivo.

Un descubrimiento reciente de gran importancia ha mostrado que las masas del bulbo y el agujero negro se hallan relacionadas, siendo la de este aproximadamente un 0,2% de la de aquel. Es decir, cuanto más masa tiene uno, más masa tiene el otro. Esto nos dice que ambos componentes galácticos no se formaron de manera independiente, sino que hubo algún mecanismo de retroalimentación que los conectaba. Una de las teorías más populares sugiere que el responsable fue el superviento generado por el agujero negro en una fase de máxima actividad. Los modelos predicen que, con su enorme potencia, este mecanismo fue capaz de  expulsar gran parte del gas en las galaxias en formación, frenando de esta manera el nacimiento de nuevas estrellas y la alimentación del agujero negro. De esta manera el crecimiento de ambos, bulbo y agujero negro, se ralentizaría, llegando incluso a detenerse.

Según esto, los agujeros negros supermasivos “conspiraron” en los inicios para manipular la formación de las galaxias; algo comparativamente minúsculo consiguió así moldear la evolución de algo gigantesco. El éxito de la teoría es indudable y la búsqueda en el universo de estos vientos gigantescos, que ha dado ya lugar a la identificación de varios candidatos prometedores, se ha convertido en uno de los objetivos más interesantes de la astronomía observacional actual.

Superviento en la galaxia starburst M82 situada a unos doce millones de años luz. La banda de luz blanquecina que atraviesa la imagen de izquierda a derecha es debida a las estrellas en la galaxia. El complejo sistema bipolar de filamentos gaseosos debe su color rojo a la emisión del hidrógeno ionizado. Como consecuencia del superviento generado por un intenso brote de formación estelar, este gas se está expandiendo a más de mil kilómetros por segundo desde el centro de la galaxia, perpendicularmente a esta y alcanzando una extensión de unos diez mil años luz a cada lado. Fuente: NASA, ESA, The Hubble Heritage Team, (STScI / AURA).

La función de luminosidad en galaxias

Los modelos de formación y evolución galácticas predicen el número de galaxias con una luminosidad dada en un determinado volumen (la densidad). Es la llamada función de luminosidad y tiene gran interés astrofísico ya que nos informa sobre cómo las galaxias se formaron y evolucionaron.

Una teoría cosmológica válida debe ser capaz de reproducir la función de luminosidad de las galaxias. Sin embargo, cuando comparamos las predicciones teóricas con las observaciones encontramos discrepancias importantes: el número de galaxias observadas de baja y alta luminosidad está muy por debajo del predicho. Dado que el proceso de formación de las galaxias está regulado por el ritmo al que el gas es capaz de enfriarse en los halos de materia oscura progenitores para luego formar estrellas, debe existir un mecanismo que impida o frene dicho enfriamiento: de nuevo, los supervientos podrían ser la clave.

Esta explicación funciona bien en el caso de las galaxias de baja luminosidad. Debido a su pequeña masa, tienen un potencial gravitatorio débil que los vientos generados por la primera generación de estrellas lograron vencer con facilidad. Como consecuencia, gran parte del medio interestelar pudo ser expulsado, quedando así suprimida cualquier formación estelar futura.

La explicación de la escasez de galaxias de gran luminosidad no es tan clara. Los modelos actuales de formación de galaxias predicen un fuerte enfriamiento del gas en las zonas centrales de los cúmulos y grupos de galaxias que deberían haber creado galaxias enormes que no existen en el universo. Los supervientos podrían suprimir o ralentizar ese enfriamiento, pero la potencia requerida es excesiva en comparación con la observada en los supervientos estelares. Como en el caso anterior, los cuásares podrían ser la solución ya que son capaces generar vientos mucho más potentes que las estrellas.

¿Cómo llegan los metales al medio intergaláctico?

Prácticamente todos los elementos químicos más pesados que el helio se formaron en el interior de las estrellas. Cabría esperar por tanto que no existieran fuera de las galaxias, en el medio intergaláctico donde apenas hay estrellas. Sin embargo, numerosos estudios han demostrado que el medio es rico en elementos como carbono, silicio y oxígeno, incluso a distancias muy lejanas de las galaxias y cuando el universo era muy joven. ¿Cómo llegaron allí? Debe existir un mecanismo que les haya permitido escapar del potencial gravitatorio de las galaxias donde se originaron. Los supervientos galácticos pueden ser los responsables, pues son capaces de remover gas enriquecido con elementos pesados y esparcirlo en grandes extensiones en el medio intergaláctico.

Presente y futuro

Aunque los supervientos galácticos fueron descubiertos hace cincuenta años, el interés que despiertan ha cobrado especial auge en la última década debido a que, como hemos visto, pueden darnos las claves para resolver algunos de las incertidumbres más acuciantes relativas a la formación y la evolución de las galaxias. El avance debe producirse siguiendo dos caminos que se entrecruzan: la teoría y las observaciones.

Las observaciones abordan dos estrategias. Por un lado, el estudio detallado de los supervientos en galaxias individuales (como M82), nos permitirá una comprensión más profunda de la física implicada tanto en la producción de los vientos como en su interacción con el medio interestelar. No es una tarea trivial. La caracterización global del fenómeno requiere investigar todas las fases gaseosas presentes en dicho medio: desde el gas molecular, denso y frío, a partir del cual se forman las estrellas y que emite radiación en el rango de las ondas milimétricas, hasta el gas coronal extremadamente caliente, emisor de rayos X, que acumula la mayor parte de la energía y los elementos pesados esparcidos por los supervientos.

Dado que cada una de las fases gaseosas emite radiación en rangos espectrales diferentes, es necesario utilizar tecnología astronómica muy diversa, explotándola a menudo hasta el límite de sus posibilidades, tanto para la detección de la huella de los supervientos como para cuantificar su energía, la masa que transportan y los cambios que inducen en las propiedades globales del gas circundante. Es necesario además estudiar el impacto en escalas espaciales muy diferentes, desde las más pequeñas, en regiones cercanas al agujero negro central, hasta el tamaño entero de las galaxias y más allá.

Los estudios observacionales deben abordar una segunda estrategia que consiste en la búsqueda y caracterización de los supervientos en un gran número de cuásares y galaxias de diferentes tipos y con diferentes estados evolutivos desde el universo local hasta las distancias más lejanas. Esto nos permitirá realizar estadísticas más fiables sobre la frecuencia real del fenómeno y el impacto global dependiendo del tipo de galaxia y del estado evolutivo a través de toda la historia del universo. Si los supervientos galácticos han modificado notablemente la función de luminosidad de las galaxias, han dado lugar a la correlación observada entre las masas de los bulbos galácticos y de los agujeros negros supermasivos y han contaminado el medio intergaláctico con elementos pesados desde la infancia del universo, todo ello implica que debieron activarse en las etapas más tempranas de formación de las galaxias. De ahí el interés en buscar y estudiar los supervientos en el universo más lejano, que observamos en la época en que se ensamblaron las primeras galaxias y se activaron los primeros cuásares.

Toda esta información es clave para implementar el mecanismo de los supervientos y la física que lo determina en los modelos de formación y evolución de galaxias y así poder relacionar las teorías cosmológicas con las observaciones. El estudio de los supervientos ilustra cómo la ciencia es un diálogo entre la teoría y la observación. La teoría nos da pistas sobre qué debemos buscar en la naturaleza, mientras que la observación nos indica si la teoría se está moviendo en la dirección adecuada.



Sobre el autor:

Montserrat Villar
CAB, INTA-CSIC
Investigadora del Centro de Astrobiología (CAB), Montse Villar es especialista en galaxias activas. Presenta además una intensa actividad divulgadora. Ha sido coordinadora del Año Internacional de la Astronomía en España.


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