¿Qué es una galaxia?

Mirando el oscuro cielo nocturno, se ven estrellas dispersas en todas direcciones. Puede que haya algunas más aquí que allá, pero en general, las estrellas están distribuidas más o menos uniformemente en el cielo nocturno.

Sin embargo, si te encuentras en un lugar particularmente oscuro, verás una débil banda de luz a través del cielo. Y si se apunta con un telescopio en la dirección de esta banda, se verán muchas más estrellas.

El científico italiano Galileo Galilei fue el primero en hacer esto, confirmando así la creencia de más de 2.000 años de antigüedad de que la banda, que durante milenios se había llamado «Vía Láctea» del griego galaxías kýklos, estaba formada por innumerables estrellas lejanas.

Comenzó a formarse la idea de que el Sistema Solar estaba situado en un grupo aplanado de estrellas porque al mirar a lo largo de este «disco» se ve una abundancia de estrellas, mientras que se ven menos cuando se mira lejos del disco.

Además de las estrellas, se vieron una serie de manchas difusas que se pensó por primera vez que estaban dentro de la Vía Láctea. La gente simplemente creía que la Vía Láctea era todo lo que existía: era todo el Universo. Sin embargo, el filósofo alemán Immanuel Kant propuso que la Vía Láctea era simplemente nuestro Universo, mientras que las manchas difusas -o nebulosas- eran «universos isla» distantes, muy alejados del nuestro.

En esa época, tales pensamientos eran sólo especulaciones, pero con la introducción de la cámara fotográfica y los grandes telescopios, los astrónomos se dieron cuenta, hace apenas 100 años, de que nuestra galaxia -a la que hoy se llama universos isla- es sólo una de un número aparentemente infinito de grupos de estrellas que orbitan entre sí y se mantienen unidas por la fuerza de la gravedad.

Mientras que la distancia entre estrellas dentro de una galaxia suele ser de unos pocos años luz, las distancias entre galaxias se miden en millones de años luz. Entre las galaxias no hay básicamente nada: alrededor de 1 átomo por metro cúbico.

Las galaxias más pequeñas albergan unos pocos millones de estrellas, mientras que las más grandes comprenden trillones. La Vía Láctea, que puede considerarse una galaxia típica, contiene unos cientos de miles de millones de estrellas.

En este artículo, explicaré qué es una galaxia, de qué está hecha y qué tipos diferentes existen. En un artículo posterior de ScienceNordic, analizaremos cómo se crearon las galaxias en primer lugar.

¿De qué están hechas las galaxias?

Se pueden señalar cinco o seis cosas como el bloque de construcción de las galaxias: estrellas, gas, polvo, agujeros negros supermasivos, materia oscura y, quizás, planetas.

Las estrellas, como se ha señalado anteriormente, son abundantes. Las estrellas viven mucho tiempo, pero no para siempre. Cuando agotan su combustible y mueren, dejan atrás enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros.

Pero, aunque en general son las estrellas las que nos permiten ver las galaxias, en realidad sólo representan una pequeña fracción de la masa total de la galaxia.

Las estrellas están hechas de gas, pero entre las estrellas -en el llamado medio interestelar- también residen grandes cantidades de gas.

En galaxias pequeñas, puede haber tanto gas interestelar como gas estelar, mientras que la fracción disminuye con el tamaño de la galaxia.

El medio interestelar se divide en diferentes fases. Algunas regiones son difusas y extremadamente calientes, con temperaturas de millones de grados. En estas regiones, el gas está ionizado, lo que significa que a la mayoría de los átomos se les ha arrancado uno o más electrones debido a la alta temperatura.

Otras regiones son más densas y frías, alrededor de 10.000 K.

Cuanto más caliente está el gas, mayor es la presión y más se expande (es el mismo mecanismo que hace que un globo de aire caliente se eleve).

A la inversa, si el gas se enfría considerablemente (hasta unos 100 grados Kelvin, o -170 °C), se forman nubes moleculares muy densas y frías. Aquí es donde se forman las nuevas estrellas!

En el Big Bang, prácticamente sólo se crearon átomos de hidrógeno y helio, sobre lo que escribí más en el artículo El Big Bang – un relato de un testigo ocular.

Pero cuando las estrellas se queman y mueren, devuelven parte de su gas al medio interestelar -sólo que ahora está contaminado con elementos más pesados (que los astrónomos generalizan cariñosamente llamándolos a todos «metales», aunque pueda sonar discordante para los químicos).

Hoy en día alrededor del dos por ciento de la masa total de gas se ha convertido en metales, y alrededor de un tercio de estos metales se han agrupado como polvo.

La nebulosa del Águila: Esta imagen muestra algunos de los componentes de una galaxia. El gas reside entre las estrellas. En el telescopio, utilicé un filtro que realza el oxígeno doblemente ionizado (colores cian). El

La nebulosa del Águila: Esta imagen muestra algunos de los componentes de una galaxia. El gas reside entre las estrellas. En el telescopio, utilicé un filtro que realza el oxígeno doblemente ionizado (colores cian). El «Águila» en sí es una nube molecular fría y polvorienta. También hay algo de materia oscura, pero cuando el gas se ha condensado tanto domina completamente sobre la materia oscura, que por cierto es invisible, así que no importa.
Crédito: Peter Laursen/NOT

Los planetas – una fracción insignificante de la galaxia

Cuando nace una estrella, se forma un disco de gas y polvo a su alrededor. El polvo puede aglutinarse, formando rocas que, a su vez, hacen rocas más grandes que eventualmente pueden terminar como planetas.

En el presupuesto total de la masa, los planetas juegan un papel cada vez más pequeño, pero probablemente son necesarios para la existencia de la vida, por lo que son bastante emocionantes no obstante.

Desde el descubrimiento de los primeros planetas fuera de nuestro Sistema Solar hace apenas 25 años, se ha hecho evidente que la mayoría de las estrellas tienen planetas. Ahora sabemos de más de 4.000 exoplanetas (es decir, planetas que orbitan alrededor de otras estrellas distintas de nuestro Sol).

Agujeros negros supermasivos y materia oscura

En el centro de la mayoría de las galaxias reside un «agujero negro supermasivo». Estos agujeros negros pueden pesar millones o miles de millones de veces la masa del Sol (en astronomía todo es tan masivo que medir las cosas en gramos o kilogramos resulta poco práctico, así que en su lugar utilizamos las masas solares, que es aproximadamente lo mismo que dos billones de billones de kilogramos).

En cuanto a la gravedad, su contribución es bastante insignificante en comparación con el resto de la galaxia, pero durante un tiempo, el negro puede generar un «núcleo galáctico activo», o un cuásar, que puede hacer volar una parte sustancial de la materia de la galaxia.

A veces estos cuásares pueden evacuar la galaxia de gas hasta tal punto que se apaga la formación de nuevas estrellas.

Sin embargo, lo que hemos conocido hasta ahora sólo constituye aproximadamente 1/6 de la masa total. La mayor parte de la masa de una galaxia es, de hecho, algo completamente diferente, la materia oscura.

La materia oscura se diferencia de la materia «normal» en que sólo interactúa gravitatoriamente. Esto significa que no se ve afectada por las fuerzas electromagnéticas o nucleares ni las ejerce, por lo que no puede emitir luz y no puede colisionar con otras cosas.

Es precisamente porque no emite luz que la llamamos materia oscura. No podemos verla; sólo vemos el efecto que tiene sobre las cosas que sí podemos ver, ya que interactúa gravitatoriamente con la materia luminosa.

La materia normal puede enfriarse y convertirse en una galaxia densa, pero a la materia oscura le cuesta más agruparse y, por lo tanto, se encuentra en un «halo» mucho más grande alrededor de la parte visible de la galaxia.

Por lo tanto, lo que vemos como una galaxia no es en realidad más que una fracción de lo que es una galaxia. Esta figura muestra las dimensiones aproximadas de los componentes de la Vía Láctea.

Los componentes de la Vía Láctea, vistos de canto. La mayoría de las estrellas y las nubes de gas se encuentran en un delgado disco (azul oscuro). Además, la Vía Láctea, como dos tercios de todas las galaxias espirales, tiene una fracción de sus estrellas en un disco grueso (cian). Un

Los componentes de la Vía Láctea, vistos «de canto». La mayoría de las estrellas y las nubes de gas se encuentran en un delgado disco (azul oscuro). Además, la Vía Láctea, como dos tercios de todas las galaxias espirales, tiene una fracción de sus estrellas en un disco grueso (cian). Un «bulbo» comprende el centro (naranja), y en un halo alrededor del disco hay gas caliente (rojo), así como algunas estrellas muy antiguas y unos 150 «cúmulos globulares» (amarillo). Todo ello está rodeado por un halo de materia oscura mucho mayor (gris). El modelo es aproximadamente a escala, pero en realidad los distintos componentes no están tan claramente divididos, disminuyendo con la distancia desde el centro.
Ilustración: Peter Laursen

Zoo de galaxias

Las galaxias tienen una gran variedad de formas y apariencias, pero en general, podemos organizarlas en tres clases:

  1. Galaxias espirales
  2. Galaxias elípticas
  3. Galaxias irregulares

Sin embargo, todas estas clases tienen subgrupos, y algunas galaxias son incluso algo hors catégorie.

El aspecto de una galaxia se denomina morfología. Si queremos estudiar la evolución de las galaxias, es práctico clasificarlas según su tipo, pero a menudo, es un poco subjetivo cómo se clasificaría una galaxia morfológicamente, ya que no hay límites claros entre los diferentes tipos.

Si quieres ayudar a los astrónomos a clasificar las galaxias, puedes visitar galaxyzoo.org y ayudarnos a decidir.

Tan tarde como el año pasado, los resultados de este astrocombate llevaron a los astrónomos a revisar nuestra comprensión de cómo se comportan los brazos de las galaxias espirales (vea este vídeo para una revisión).

Pero veamos más de cerca los diferentes tipos de galaxias.

Las magníficas galaxias espirales

En mi opinión, las galaxias espirales son las más bellas. Caracterizadas por una «protuberancia» central rojiza y una serie de brazos espirales azulados que se extienden en un disco plano, giran majestuosamente con periodos de unos 100 millones de años.

Los brazos espirales sólo albergan entre 2 y 3 veces más estrellas que entre ellos, pero como en estas regiones se produce una formación estelar activa, son mucho más brillantes. Debido a que las estrellas masivas -que brillan con una luz azul pero se queman rápidamente- todavía están por aquí, los brazos aparecen azules.

Alrededor de dos tercios de las galaxias espirales tienen una estructura en forma de barra que se extiende desde el bulbo. La barra es probablemente una especie de onda de densidad, al igual que los brazos espirales, capaz de «succionar» el gas de los brazos espirales circundantes, que luego puede ser utilizado para de nuevas estrellas.

Este gas también puede alimentar un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia, haciendo que se convierta en un núcleo galáctico activo o un cuásar.

Cuatro ejemplos de galaxias espirales: 1) La galaxia de

Cuatro ejemplos de galaxias espirales: 1) La galaxia de «gran diseño» M74. 2) La espiral barrada NGC 1300. 3) La galaxia «floculante» NGC 4414. 4) La galaxia espiral NGC 891 vista de canto. En este último ejemplo, miramos directamente al disco polvoriento, ‘enrojeciendo’ la luz al filtrar la luz azul.
Credit: GMOS/NASA/ESA/STScl/Berentine/NOAO

Gigantes del Universo: Galaxias elípticas

Las galaxias elípticas son, creemos, el resultado de la fusión de muchas galaxias más pequeñas (proto-). Durante estas colisiones, la tasa de formación estelar aumenta primero de forma espectacular y vemos uno o varios «brotes estelares».

La violenta formación estelar puede agotar la mayor parte del gas de una sola vez. La propia colisión, así como los vientos estelares y las supernovas, expulsan el resto del gas, de modo que la formación de nuevas estrellas se hace difícil. Así, sólo quedan las estrellas viejas, y como las estrellas viejas son de color rojo-anaranjado, éste es el color de la mayoría de las galaxias elípticas.

Por lo tanto, este llamado apagamiento deja tras de sí una galaxia roja y «muerta».

Las mayores galaxias del Universo son elípticas, con masas de hasta diez veces la de la Vía Láctea. Estos monstruos galácticos suelen residir en el centro de grandes cúmulos de galaxias, es decir, colecciones de cientos o miles de galaxias, unidas por la gravedad.

Cuatro ejemplos de galaxias elípticas: 1) 4C 73.08. 2) ESO 325-G004. 3) NGC 1132. 4) IC 2006. Estos no son tan divertidos, ¿verdad?

Cuatro ejemplos de galaxias elípticas: 1) 4C 73.08. 2) ESO 325-G004. 3) NGC 1132. 4) IC 2006. Estas no son tan divertidas, ¿verdad?
Crédito: ESA/Hubble/NASA

… y luego están todos los demás tipos de galaxias

Algunas galaxias, en particular las más pequeñas, no son ni elípticas ni disco, sino que tienen una forma completamente diferente. Estas galaxias se llaman galaxias irregulares.

La forma irregular se debe a menudo a colisiones, o casi colisiones, con otras galaxias.

Las galaxias irregulares son típicamente pequeñas, ya que las galaxias más grandes están mejor equipadas para resistir las sacudidas y agitaciones de otras galaxias.

Otro tipo son las galaxias lenticulares, una especie de combinación entre elípticas y espirales: Presentan cierta estructura espiral, pero también un claro halo elíptico.

Cuanto más grande y masiva es una galaxia, menos común es. La mayoría de las galaxias son, por tanto, galaxias enanas, que pueden clasificarse a su vez en espirales enanas, elípticas enanas, irregulares enanas y esferoidales enanas.

Las galaxias anulares tienen una protuberancia igual que las galaxias espirales y una estructura anular estelar mayor. Podrían haberse formado debido a que otra galaxia atraviesa directamente una galaxia espiral, pero son muy raras y, por tanto, no están demasiado bien estudiadas.

Recientemente, los astrónomos han encontrado la más lejana de estas extrañas galaxias, con evidencias de un «atropello» cósmico que tuvo lugar hace 11.000 millones de años.

Cuatro galaxias más, y terminamos: 1) La galaxia irregular NGC 1427A. 2) La esferoidal enana Fornax. 3) La galaxia lenticular Sombrero. 4) La galaxia anular Objeto de Hoag.

Cuatro galaxias más, y terminamos: 1) La galaxia irregular NGC 1427A. 2) La esferoidal enana de Fornax. 3) La galaxia lenticular Sombrero. 4) La galaxia anular Objeto de Hoag.
Crédito: NASA/ESA/HST/ESO/DSS2/IDA/STScI/AURA.

Cómo se crearon estos enigmáticos cúmulos de estrellas, gas, polvo y materia oscura es una historia más larga, sobre la que podrás leer más en un artículo de seguimiento aquí en ScienceNordic.

Lee la versión danesa en Forskerzonen de Videnskab.dk. Gracias a Guarn Nissen por sus sugerencias y correcciones durante mi traducción del texto del danés al inglés.

Perfil de Peter Laursen (Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague)

Página web de Peter Laursen

‘The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

‘The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

‘Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

‘Tracing the Stellar Mass in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

‘A giant galaxy in the young Universe with a massive ring’, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7