/ jueves 8 de julio de 2021

UG TU CONECTE CON LA CIENCIA

EL AMBIENTE A GRAN ESCALA DE LAS GALAXIAS


Dr. César Augusto Caretta
División de Ciencia Naturales y Exactas
Campus Guanajuato
Universidad de Guanajuato

Las galaxias están para el Universo como las células están para los organismos vivos del planeta Tierra. Son estructuras complejas, con diferentes componentes internos: estrellas, cúmulos de estrellas, planetas, gas en diferentes fases, polvo, agujeros negros, etc. Pero no vamos a hablar de esos "orgánulos galácticos", más bien vamos a hablar de "tejidos, órganos y sistemas" que son formados de galaxias, en esa nuestra analogía del Universo como un ser vivo.

Las galaxias no están distribuidas al azar en el Universo, pero se encuentran en distintos ambientes diferenciados principalmente por la densidad de galaxias que comportan. Así, tenemos desde los ambientes más densos, que forman grupos y cúmulos de galaxias, hasta regiones casi desproveídas de esos objetos, que no por casualidad son llamados de "vacíos cósmicos". Un ejemplo de región relativamente densa es nuestro Grupo Local de Galaxias, que contiene a nuestra Galaxia (la Vía-Láctea) además de otras aproximadamente 100 compañeras (la casi totalidad de ellas son enanas, mucho menores que la Vía-Láctea, a excepción de 3 que son espirales).

Pero nuestra cuestión principal aquí es: ¿Cómo es esa Estructura a Gran Escala formada de galaxias y como se llegó a eso en la evolución cosmológica del Universo?

En el inicio el Universo era completamente homogéneo (al menos eso es lo que nuestras investigaciones más recientes sobre la Historia Cósmica nos indican). Pero surgieron algunas fluctuaciones de densidad, las cuales, por acción de la gravedad, empezaron a aumentar esa densidad. El proceso no es sencillo: la gravedad pelea constantemente con dos enemigos al mismo tiempo -- la expansión del Universo y la presión ejercida por el movimiento del material mismo dentro de esas perturbaciones. Si ganan los dos oponentes, la perturbación desaparece, pero si gana la gravedad la perturbación finalmente colapsa, es decir, cae sobre si misma alcanzando densidades cada vez mayores.

Entonces empieza otra pelea: si no aparecen situaciones que puedan frenar al colapso, inevitablemente él llevará a la formación de un agujero negro. Eso suele pasar con algunas estrellas. Pero la naturaleza es lista y también encontró mecanismos para frenar al colapso y crear estructuras estables. Esas estructuras pueden ser desde “pequeñas” estrellas hasta las mayores estructuras colapsadas del Universo, los cúmulos ricos de galaxias.

Pero hay todavía una cuestión: ¿Si la gravedad produce un colapso radial, es decir, simétrico respecto al centro de la perturbación, porque observamos algunas estructuras que no son esféricas? Con estructuras no esféricas me refiero a, p.ej., las galaxias espirales, o los filamentos de galaxias.

Lo que pasa son dos efectos: por un lado, si la perturbación adquiere algún momento angular, el colapso hace aumentar el giro y genera fuerza centrífuga, por otro el colapso no es necesariamente esférico. El primer caso ocurre principalmente en pequeñas escalas, como la escala de sistemas planetarios y galaxias, y el segundo ocurre principalmente a gran escala. Aquí vamos a concentrarnos en el segundo caso: el colapso no esférico, más específicamente algo que llamamos de colapso elíptico (por simplicidad matemática).

Si el colapso se da primero en un sentido (de los 3 espaciales), la forma achatada empieza a dominar. En el contexto de las estructuras a gran escala llamamos a esos objetos de "paredes" o "murallas" de galaxias. Son, en gran parte, los propios supercúmulos de galaxias (bases de atracción), que se contraponen a regiones que, en ese proceso, se quedaron con muy pocas galaxias, los vacíos cósmicos (bases de repulsión). Siguiendo adelante, si el colapso se da dominantemente en dos sentidos espaciales, la estructura que emerge tiene forma elongada, justamente la forma de un filamento de galaxias. Por fin, si el colapso se da de manera equilibrada en las 3 coordenadas espaciales se forman los "nudos", que ahora sí tienden a tener una forma que se acerca a la esférica. Esos nudos son los cúmulos y grupos de galaxias, dependiendo de si contienen muchas o pocas galaxias miembros. Para simplificar, llamaremos a esos cúmulos y grupos genéricamente de "sistemas de galaxias".

Todas las estructuras arriba coexisten, es decir una es parte de la otra, no son independientes. Los supercúmulos de galaxias (murallas) contienen a los filamentos de galaxias, que a su turno conectan los cúmulos y grupos de galaxias (nudos). Así se forma la Estructura a Gran Escala (EGE) del Universo, que está constituida por una malla intrincada de galaxias, conocida también de "telaraña cósmica".

Ahora vamos a ver esa EGE a partir de las galaxias mismas. Para las galaxias esos nudos, filamentos, murallas y vacíos son los posibles ambientes donde pueden vivir. Y son ambientes muy diferentes, desde los grandes "centros urbanos" que son los cúmulos ricos de galaxias, hasta las regiones mas "desérticas", como los vacíos cósmicos.

En los grandes "centros urbanos" la galaxia convive con muchas compañeras, interactúa con ellas, a veces se chocan y se juntan, a veces sufren por la acción de las otras y del ambiente denso mismo. Por otro lado, en los desiertos no hay compañeras cercanas, no hay casi interacción ni efectos del ambiente y la galaxia puede envejecer sin muchos percances.

En el mundo de las galaxias dividimos esas interacciones en dos tipos: gravitacionales e hidrodinámicas. Las primeras se dan entre la galaxia y sus vecinas o con el sistema como un todo. Esas interacciones pueden producir efectos como: “marea”, que distorsiona las galaxias, “fricción dinámica”, que frena el movimiento de las galaxias, "acoso", que hace con que las galaxias desplacen o hasta pierdan parte de su material y, finalmente, ”fusiones o acreciones“, cuando ya dos galaxias pasan a ser solamente una.


Por su turno, las interacciones hidrodinámicas pueden ser de los tipos: "presión de arrastre", que barre el gas relativamente frío de las galaxias por acción del gas caliente del entorno, "evaporación térmica" de ese gas frío, y "hambruna" que es cuando la pérdida del gas del medio interestelar (el medio dentro de la galaxia) es casi total. ¡Felices deben ser las galaxias que viven en vacíos cósmicos!

El punto básico de la investigación que estamos desarrollando es justamente correlacionar esos efectos de interacción descritos arriba con los diferentes ambientes de la EGE, a saber los sistemas, los filamentos, las murallas de galaxias y los vacíos cósmicos. Sabemos que los efectos son más intensos en las regiones más densas, pero ¿cuánto más intensos? y ¿de qué forma se dan? En otras palabras ¿cómo cambian las propiedades típicas de las galaxias en esos diferentes ambientes? Ejemplos de esas propiedades son la masa y la forma de las galaxias (su morfología en términos técnicos astronómicos), su orientación espacial, su actividad periódica (de formación estelar o actividad nuclear), etc. Con ese estudio pretendemos contribuir para el entendimiento del proceso de formación y evolución de las galaxias, de sus sistemas y de la propia EGE.

Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka

EL AMBIENTE A GRAN ESCALA DE LAS GALAXIAS


Dr. César Augusto Caretta
División de Ciencia Naturales y Exactas
Campus Guanajuato
Universidad de Guanajuato

Las galaxias están para el Universo como las células están para los organismos vivos del planeta Tierra. Son estructuras complejas, con diferentes componentes internos: estrellas, cúmulos de estrellas, planetas, gas en diferentes fases, polvo, agujeros negros, etc. Pero no vamos a hablar de esos "orgánulos galácticos", más bien vamos a hablar de "tejidos, órganos y sistemas" que son formados de galaxias, en esa nuestra analogía del Universo como un ser vivo.

Las galaxias no están distribuidas al azar en el Universo, pero se encuentran en distintos ambientes diferenciados principalmente por la densidad de galaxias que comportan. Así, tenemos desde los ambientes más densos, que forman grupos y cúmulos de galaxias, hasta regiones casi desproveídas de esos objetos, que no por casualidad son llamados de "vacíos cósmicos". Un ejemplo de región relativamente densa es nuestro Grupo Local de Galaxias, que contiene a nuestra Galaxia (la Vía-Láctea) además de otras aproximadamente 100 compañeras (la casi totalidad de ellas son enanas, mucho menores que la Vía-Láctea, a excepción de 3 que son espirales).

Pero nuestra cuestión principal aquí es: ¿Cómo es esa Estructura a Gran Escala formada de galaxias y como se llegó a eso en la evolución cosmológica del Universo?

En el inicio el Universo era completamente homogéneo (al menos eso es lo que nuestras investigaciones más recientes sobre la Historia Cósmica nos indican). Pero surgieron algunas fluctuaciones de densidad, las cuales, por acción de la gravedad, empezaron a aumentar esa densidad. El proceso no es sencillo: la gravedad pelea constantemente con dos enemigos al mismo tiempo -- la expansión del Universo y la presión ejercida por el movimiento del material mismo dentro de esas perturbaciones. Si ganan los dos oponentes, la perturbación desaparece, pero si gana la gravedad la perturbación finalmente colapsa, es decir, cae sobre si misma alcanzando densidades cada vez mayores.

Entonces empieza otra pelea: si no aparecen situaciones que puedan frenar al colapso, inevitablemente él llevará a la formación de un agujero negro. Eso suele pasar con algunas estrellas. Pero la naturaleza es lista y también encontró mecanismos para frenar al colapso y crear estructuras estables. Esas estructuras pueden ser desde “pequeñas” estrellas hasta las mayores estructuras colapsadas del Universo, los cúmulos ricos de galaxias.

Pero hay todavía una cuestión: ¿Si la gravedad produce un colapso radial, es decir, simétrico respecto al centro de la perturbación, porque observamos algunas estructuras que no son esféricas? Con estructuras no esféricas me refiero a, p.ej., las galaxias espirales, o los filamentos de galaxias.

Lo que pasa son dos efectos: por un lado, si la perturbación adquiere algún momento angular, el colapso hace aumentar el giro y genera fuerza centrífuga, por otro el colapso no es necesariamente esférico. El primer caso ocurre principalmente en pequeñas escalas, como la escala de sistemas planetarios y galaxias, y el segundo ocurre principalmente a gran escala. Aquí vamos a concentrarnos en el segundo caso: el colapso no esférico, más específicamente algo que llamamos de colapso elíptico (por simplicidad matemática).

Si el colapso se da primero en un sentido (de los 3 espaciales), la forma achatada empieza a dominar. En el contexto de las estructuras a gran escala llamamos a esos objetos de "paredes" o "murallas" de galaxias. Son, en gran parte, los propios supercúmulos de galaxias (bases de atracción), que se contraponen a regiones que, en ese proceso, se quedaron con muy pocas galaxias, los vacíos cósmicos (bases de repulsión). Siguiendo adelante, si el colapso se da dominantemente en dos sentidos espaciales, la estructura que emerge tiene forma elongada, justamente la forma de un filamento de galaxias. Por fin, si el colapso se da de manera equilibrada en las 3 coordenadas espaciales se forman los "nudos", que ahora sí tienden a tener una forma que se acerca a la esférica. Esos nudos son los cúmulos y grupos de galaxias, dependiendo de si contienen muchas o pocas galaxias miembros. Para simplificar, llamaremos a esos cúmulos y grupos genéricamente de "sistemas de galaxias".

Todas las estructuras arriba coexisten, es decir una es parte de la otra, no son independientes. Los supercúmulos de galaxias (murallas) contienen a los filamentos de galaxias, que a su turno conectan los cúmulos y grupos de galaxias (nudos). Así se forma la Estructura a Gran Escala (EGE) del Universo, que está constituida por una malla intrincada de galaxias, conocida también de "telaraña cósmica".

Ahora vamos a ver esa EGE a partir de las galaxias mismas. Para las galaxias esos nudos, filamentos, murallas y vacíos son los posibles ambientes donde pueden vivir. Y son ambientes muy diferentes, desde los grandes "centros urbanos" que son los cúmulos ricos de galaxias, hasta las regiones mas "desérticas", como los vacíos cósmicos.

En los grandes "centros urbanos" la galaxia convive con muchas compañeras, interactúa con ellas, a veces se chocan y se juntan, a veces sufren por la acción de las otras y del ambiente denso mismo. Por otro lado, en los desiertos no hay compañeras cercanas, no hay casi interacción ni efectos del ambiente y la galaxia puede envejecer sin muchos percances.

En el mundo de las galaxias dividimos esas interacciones en dos tipos: gravitacionales e hidrodinámicas. Las primeras se dan entre la galaxia y sus vecinas o con el sistema como un todo. Esas interacciones pueden producir efectos como: “marea”, que distorsiona las galaxias, “fricción dinámica”, que frena el movimiento de las galaxias, "acoso", que hace con que las galaxias desplacen o hasta pierdan parte de su material y, finalmente, ”fusiones o acreciones“, cuando ya dos galaxias pasan a ser solamente una.


Por su turno, las interacciones hidrodinámicas pueden ser de los tipos: "presión de arrastre", que barre el gas relativamente frío de las galaxias por acción del gas caliente del entorno, "evaporación térmica" de ese gas frío, y "hambruna" que es cuando la pérdida del gas del medio interestelar (el medio dentro de la galaxia) es casi total. ¡Felices deben ser las galaxias que viven en vacíos cósmicos!

El punto básico de la investigación que estamos desarrollando es justamente correlacionar esos efectos de interacción descritos arriba con los diferentes ambientes de la EGE, a saber los sistemas, los filamentos, las murallas de galaxias y los vacíos cósmicos. Sabemos que los efectos son más intensos en las regiones más densas, pero ¿cuánto más intensos? y ¿de qué forma se dan? En otras palabras ¿cómo cambian las propiedades típicas de las galaxias en esos diferentes ambientes? Ejemplos de esas propiedades son la masa y la forma de las galaxias (su morfología en términos técnicos astronómicos), su orientación espacial, su actividad periódica (de formación estelar o actividad nuclear), etc. Con ese estudio pretendemos contribuir para el entendimiento del proceso de formación y evolución de las galaxias, de sus sistemas y de la propia EGE.

Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka