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Lo que no sabemos: ¿Cómo se formaron las galaxias?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Cosmología    ~    Comentarios Comments (0)

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         Tarde de domingo en la isla de la Grande Jatte  - Georges Pierre Seurat, 1884

El Art Institute de Chicago tiene una de las mejores colecciones del mundo de pintura de finales del siglo XIX francés, reunida durante la época en que la ciudad era realmente “un matarife para el mundo, jugando con los ferrocarriles de una nación”. Una de las obras más populares es un gran lienzo de George Seurat. Su título formal es La Grande Jatte, pero se conoce coloquialmente como Domingo por la tarde en el parque.

Muestra a un grupo de parisinos paseando por un parque junto al Sena. La pintura incluso inspiró una revista en Broadway llamada Domingo el el parque con George. Saurat utilizó una técnica pictórica que era bastante poco usual en su época. En lugar del pasar el pincel sobre el lienzo en la forma habitual, tocaba el lienzo sólo con la punta.

El resultado es una pintura formada por un gran número de pequeñas motas de color. Este estilo de Pintura se llama puntillismo. A causa de esa técnica, el mirar esa pintura resulta una experiencia extraña. Desde lejos se ve lo que pretendía el pintor, la escena de un parque con figuras en él. Sin embargo, si nos acercamos mucho, la escena desaparece y lo que se verá será una colección de puntos de color sobre un lienzo. La uniformidad, que es aparente cuando miramos a la “imagen grande”, oculta la apariencia real de lo que allí está presente.

¿Nos pasará a nosotros otro tanto cuando miramos el Universo? Seguro que sí, ya que, si tuviéramos las narices pegadas a cualquiera de esas galaxias, no veríamos nada excepto un borrón de luz y de color. ¡Qué extraño es el mundo que nos rodea y cuánto nos cuesta comprenderlo!

Grupo de Galaxias NGC 7771

La pintura de Saurat proporciona una útil analogía para una de las ideas favoritas de los astrónomos acerca de la estructura del Universo: la idea de que si miramos a una escala bastante grande, encontramos que el universo es uniforme y homogéneo. A partir de Einstein los cosmólogos de “punta” han supuesto que esta afirmación es cierta. Claro que, una cosa es lo que se supone y otra muy distinta lo que en realidad pasó.

Las galaxias, por ejemplo,  no pudieron comenzar a formarse hasta después de que radiación y materia se desparejan y otra solución que se sugiere sola, el empujón al colapso gravitatorio mediante concentraciones de masa o cualquier otro procedimiento físico, tal como la turbulencia en las nubes de gas después de la formación de los átomos. Pero ¡ay!, esta línea de argumentación nos lleva hasta una tercera reconsideración del problema en el que finalizamos aceptando que, las turbulencias tampoco sirven.

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El “impulso a través de turbulencia” es una idea simple, cuyas primeras versiones fueron aireadas allá por los años 50. El postulado es este: cualquier proceso tan violento y caótico como las primeras etapas del Big Bang no sería como un río profundo y plácido, sino como una corriente de montaña, llena de espumas y turbulencias.

En este flujo caótico podemos esperar encontrar remolinos, vórtices de gas. En esta teoría, un remolino es en efecto una concentración de masa del tipo Jeans, presionando sobre la materia que le rodea a causa de la atracción gravitatoria. Si el remolino es del tamaño necesario, puede reunir una masa del tamaño de una galaxia antes de que tenga una posibilidad de disiparse. Para entonces esa masa sería suficientemente grande, de forma que se mantendría unida por la fuerza de la gravedad cuando pase el remolino.

Está bien, pero existen algunas dificultades. En primer lugar, un remolino que se forma antes de la marca de los 500.000 años es todavía una concentración de masa, y como cualquier otra concentración de masa será destruída por la presión de la radiación. Por consiguiente, los turbulentos remolinos que sirven como núcleos de concentración para las galaxias deben acceder a la existencia después de la aparición de los átomos.

Resultado de imagen de galaxias en proceso de formación

La diversidad de galaxias es grande y mientras unas tienen miles de millones de años, otras se forman

Galaxia en proceso de formación.  A pesar de la enorme técnica y sofisticación de los aparatos con que contamos para la observación del cosmos, no se ha podido encontrar ninguna a protogalaxia cercana, lo cual indica que todas o la mayoría de las galaxias se formaron hace mucho tiempo.

Lo que esto significa es que los remolinos que se forman justo después de la congelación atómica son los que más probablemente conducirán a las galaxias, porque son los que tienen más tiempo para recoger materia. Si estos remolinos son del tamaño necesario, podrían realmente producir galaxias como las que podemos ver ahí arriba. Sólo tendríamos que suponer que hubiera remolinos del tamaño de galaxias (o próximos a ellas) presentes en el momento de la congelación.

Resultado de imagen de Fusión de galaxiasResultado de imagen de Fusión de galaxias

Con todo, la teoría plantea un extraño tema filosófico. Podemos mirar las galaxias visibles, extrapolar hacia atrás en el tiempo y proponer un conjunto de turbulentos remolinos que las produzcan. Esto no resuelve el problema, sólo plantea la vieja cuestión de otro modo, retrocediendo una muesca. En lugar de preguntas: “¿Por qué las galaxias son como son?”, preguntamos “¿Por qué eran los remolinos como eran?” Y, seguimos sin avanzar en el problema de saber como se formaron las galaxias.

Tampoco las galaxias han tenido tiempo para formar cúmulos, y, sin embargo, ahí están. ¿Qué sabemos de los enigmas del Universo? En realidad, vamos sabiendo algo pero, lo cierto es que, son muchas más las preguntas que las respuestas.

Resultado de imagen de El cúmulo de galaxias Hidra

                     Aquí podemos contemplar el hermoso cúmulo de galaxias de Hydra

Miramos la bella imagen y vemos como dos brillantes y supermasivas estrellas destacan en el primer plano, pertenecen a la Vía Láctea, y están más cerca a nosotros. Más allá, lejos en el fondo, relucen las galaxias del cúmulo que, en el centro exhiben unas predominantes galaxias de más de 150.000 años-luz de diámetro, dos son elípticas de color amarillo (NGC 3311 y NGC 3309) la Azulada, es la espiral NGC 3312 y, justo por encima de la izquierda de NGC 3312 aparece una misteriosa pareja de galaxias superpuestas que están catalogadas como NGC 3314.

Estas imágenes, cuando se contemplan por personas no expertas, pueden también llevar al engaño. Por ejemplo, mientras que las estrellas del primer plano se encuentran a cientos de años-luz de distancia, el cúmulo de galaxias de Hydra está a más de 100 millones de años-luz. Es una de los tres grandes cúmulos que hay dentro de los 200 millones de años-luz de la Vía Láctea. También es conocido como Abell 1060. En nuestro Universo, las galaxias están gravitacionalmente unidad en cúmulos y, a su vez, estos cúmulos en supercúmulos mucho mayores de muchos miles o cientos de miles de galaxias. La Imagen tiene un diámetro de cera del millón y medio de años-luz.

La gravedad es la gran fuerza estabilizadora del universo. Nunca lo abandona del todo; siempre está actuando, tratando de unir pedazos de materia. En cierto sentido, la historia entera del universo se puede pensar como un último y fútil intento de superar la gravedad. Sería asombroso, dada la naturaleza universal de la fuerza gravitatoria, que no hubiera desempeñado un papel importante en la formación de las galaxias.

Supongamos que el universo ha comenzado como una colección de materia uniformemente emplastada, en la que ninguna parte tenía mayor concentración de materia que otra. En esta situación se podría esperar se que la fuerza de la gravedad tuviera que actuar para unir todo lo que hay en el universo en un imposible sol central. Claro que, una cosa es pensarlo y otra muy distinta es la realidad.

El problema es que en cualquier colección de materia, por uniformemente distribuida que esté, habrá ligeras concentraciones en alguna parte. Incluso, aunque tengamos que descender al nivel microscópico para verlo, el movimiento aleatorio de los átomos resultará al final en un estado de la cuestión en el que hay un pequeño exceso de átomos en algunos puntos y un pequeño déficit en otros.

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No es difícil visualizar lo que pasa a continuación. En un momento dado, el pequeño extra de materia se acumula en alguna parte, bien por causa del movimiento atómico o por alguna otra razón. Debido al momentáneo exceso de materia en ese punto, la fuerza gravitatoria ejercida por los puntos de alrededor. Por consiguiente entrará más masa en el área en que tuvo lugar la concentración original. Con más masa, la concentración puede ejercer todavía más fuerza gravitatoria y atraer todavía más materia hacia ella. No importa lo equitativa que fuera la distribución inicial, una vez que se ha formado la más pequeña concentración, la masa uniforme se romperá en pequeños pedazos cada uno formado alrededor de la concentración original de masa. Esta inestabilidad inherente a una masa de materia fue señalada por primera vez en los años veinte por el astrofísico británico sir James Jeans.

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A primera vista parece un rayo de esperanza. El universo debe romperse en pequeñas unidades de masa, y con suerte, estas unidades se convertirían en galaxias. Incluso resulta que, aunque sólo hemos hablado de un universo, el resultado de Jeans sigue siendo verdad si hay la expansión de Hubble. Pero el problema no es tan sencillo. La misma teoría que nos dice que una distribución uniforme de materia es inestable frente a la rotura de pequeños pedazos, también nos dice cuánto tardará el proceso de rotura.

(Lo que mostró realmente Jeans fue que una masa en gravitación es inestable para la rotura en piezas de cierto tamaño. Si una masa es más pequeña que el pedazo más pequeño en el que puede ser dividida, la masa será estable. En otro caso, se romperá. Esta prueba se conoce como el criterio de Jeans para los expertos tiene una bien conocida fórmula, la longitud de Jeans).

La cuestión viene a ser: ¿pueden actuar las fuerzas gravitatorias con suficiente rapidez después que ha tenido lugar el desplazamiento, para reunir la materia en grupos del tamaño de una galaxia, antes de que la expansión de Hubble ponga todo fuera del alcance? Una de las grandes conmociones para la comunidad astronómica de los años treinta fue que la respuesta a esta pregunta fue un rotundo “¡NO!” Lo que parecía ser el mecanismo más probable para la formación de galaxias –el mecanismo de inestabilidad gravitatoria que acabamos de describir- no funcionará en un universo en expansión.

Quizá este hecho fue lo que condujo a Jeans, al final de su vida, a proponer un universo en el que la materia se iba creando continuamente en los vacíos que dejaba la expansión galáctica. En esta visión, la formación de galaxias es un proceso continuo, no confinado a ningún tiempo particular de la historia del universo. Esta teoría de Jeans que, al final se clasificó como universo estacionario, sería abandonada después de la acumulación de pruebas muy convincentes a favor del big bang.

Resultado de imagen de Big bang

La idea del universo estacionario fue un modelo cosmológico desarrollado en 1948 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle como una alternativa a la teoría del Big Bang que, finalmente, prevalecería como la teoría más probable y la que más se acercaba a la observación del espacio interestelar y que vino a confirmar la radiación de fondo cósmico como la huella dejada por aquella explosión primera.

Todo lo relacionado con la formación de las galaxias resulta muy enigmático y para los entendidos también, ya que, a ciencia cierta, como se pudieron formar… Nadie lo sabe pero, las conjeturas abundan…

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Se cree que unos 10.000 años después del Big Bang la temperatura había descendido a unos 100.000 grados centígrados y se formaron los primeros átomos de hidrógeno.

Después de formase los átomos, la situación habría sido marcadamente diferente. El hecho clave aquí es que la radiación no interacciona tan fuertemente con los átomos como con las partículas cargadas en un plasma. Podéis consultar la propia memoria para ver que esta afirmación es cierta. Si habéis estado en la cima de una montaña o de un edificio alto y habéis mirado desde allí al paisaje circundante, probablemente han podido ver lindes, por ejemplo, hasta unos cincuenta o quizá cien km de distancia. En algunos lugares, como las cimas de las montañas que se elevan en el aire límpido del norte de España, pueden ver incluso más lejos.

Pero antes de que vean esas lindes, es necesario que la luz viaje desde el objeto visto hasta su ojo. La simple experiencia de ver a lo lejos, por tanto, nos dice que la luz puede viajar por el aire largas distancias sin ser dispersada o distorsionada. Esto no puede suceder en un plasma. Que suceda en el aire, que está hecho de átomos y moléculas, muestra que la interacción de la luz con esas dos formas de materia debe ser muy diferente.

Resultado de imagen de El en universo primitivo, la materia estaría en forma de plasma

Así que en el universo inicial, la secuencia de los acontecimientos debe haber sido algo así. Hasta unos 100 000 años la materia estaba en forma de plasma y no se podían haber formado objetos del tamaño de una galaxia. A los 200 000 años, los átomos comenzaron a aparecer y la interacción de la luz con la materia comenzó a debilitarse. La formación de los átomos no tuvo lugar de golpe, sino que continuó hasta la cota del millón de años. Entre esos dos momentos, el maquillaje del universo viró desde el plasma a los átomos, y cuando terminó la transición quedaban pocas partículas cargadas libres. La forma dominante de la materia era el

En algún momento durante de la formación de los átomos, la fuerza de la interacción entre la materia y radiación disminuyó hasta el punto en el que la radiación ya no se quedara atrapada dentro del plasma. La radiación circulaba libremente y, desde ese momento en adelante, tuvo poco efecto sobre el proceso de formación de los átomos, la radiación se desparejó la de la materia.

Aunque el desparejamiento fue gradual, me gustaría hacer una referencia ocasional al proceso. Hablaré de él como si hubiera ocurrido hacia la cota de los 500 000 años, pues éste es un número redondo a medio camino de la congelación de los átomos. Esto es simplemente para abreviar; no quiero dar entender que el universo fuera opaco hasta 500 000 años más un segundo.

Resultado de imagen de Si echamos azúcar en el té la bebida se vuelve turbia

He encontrado una analogía muy útil para visualizar el proceso de desparejamiento. Cuando os toméis una bebida, como té helado servida en un vaso alto, observen lo que sucede si remueven el azúcar. Al principio, la bebida se vuelve turbia, porque el azúcar está en forma de terrones relativamente grandes y los terrones grandes dispersan la luz con eficacia. Saben que la dispersión es eficaz porque la luz no puede atravesar todo el vaso, sino que es dispersada. Esta luz dispersa es la que da al té su apariencia turbia. En este estado, el té es análogo al universo antes de la formación de los átomos, cuando la radiación estaba interaccionando con el plasma. Tras unos pocos momentos, el té se vuelve repentinamente transparente de nuevo. Lo que ha sucedido es que el azúcar se ha disuelto y ahora existe en forma de moléculas que interaccionan débilmente con la luz. La luz pasa ahora a través del té sin ser dispersada y la niebla ha desaparecido. Este cambio de turbio a transparente en el té se parece a lo que sucedió en el universo cuando se formaron los átomos. El universo se volvió transparente al despejarse la radiación, y no quedaba nada que contrarrestase la fuerza de la gravedad cohesionando la materia.

Así, la interacción de la radiación y la materia impide el comienzo de procesos que pudieran conducir a las galaxias antes de que el universo tuviera 500 000 años de edad. Esto resulta ser un problema importante, a causa de la lógica que nos dice que las galaxias no tuvieron tiempo de formarse.

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Todo esto de las Galaxias siempre me ha planteado muchas dudas pues, lógicamente, las galaxias no pudieron haberse formado antes que los átomos. Podemos pensar en el Universo durante las primeras etapas de la expansión de Hubble como formado por dos constituyentes: materia y radiación. La materia sufrió una serie de congelaciones al construir gradualmente estructuras más y más complejas. A medida que tienen lugar esos cambios en la forma de la materia, la manera en que interaccionan materia y radiación cambia radicalmente. Esto, a su vez, desempeña un papel fundamental en la formación de galaxias.

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Físicos rusos, fueron los primeros en obtener antimateria con ayuda de la luz

Aquella primera “sopa de plasma primordial” posibilitó que se juntaran protones y neutrones para formar el elemento más simple del Universo: El Hidrógeno. El elemento número uno de la Tabla Periódica que, evolucionado en las estrellas nos lleva a la complejidad de la materia.

La luz y otros tipos de radiación interaccionan fuertemente con partículas libres eléctricamente cargadas, del tipo de las que existen en el plasma que constituía el universo antes de que los átomos se formaran. A causa de esta interacción, cuando la radiación se mueve por el plasma, colisiona con partículas, rebotando y ejerciendo una presión del mismo modo que las moléculas de aire, al rebotar sobre las paredes de un neumático, mantienen el neumático inflado, Si se diese el caso de que una conglomeración de materia del tamaño de una galaxia tratase de formarse antes de la congelación de los átomos, la radiación que traspasaría el material habría destruído el conglomerado. Por la misma razón, la radiación tendería a quedar atrapada dentro de la materia. Si tratase de salir, sufriría colisiones y rebotaría.

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No es fácil sobreestimar la importancia de esta afirmación. Lo que significa es que mientras que la materia permaneció como plasma (es decir, mientras los átomos no se habían congelado) ninguna galaxia podría haberse formado, o ni siquiera empezado a formarse. Se deduce que hubo un período determinado, que comenzó alrededor de los 100.000 años, en el que tuvo lugar la formación de Galaxias. Antes de ese Tiempo, la interacción de la radiación con la materia habría impedido que se formase cualquier cosa como nuestro Universo actual.

El problema de explicar la existencia de la galaxias ha resultado ser uno de los más espinosos de la cosmología. Con todo derecho no deberían estar ahí y, sin embargo, ahí están. Es difícil comunicar el abismo de frustración que este simple hecho produce entre los científicos. Una y otra vez han surgido nuevas revelaciones y ha parecido que el problema estaba resuelto. Cada vez la solución se debilitaba, aparecían nuevas dificultades que nos transportaban al punto de partida.

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Cada pocos años, la American  Physical Society, la Asociación Profesional  de físicos, tienen una sesión en una de sus reuniones en la que los Astrofísicos hablan de los más nuevos métodos de afrontar el problema de las galaxias. Si te molestas en asistir a varias de esas reuniones, dos son las sensaciones contradictorias que te embargan: Por una parte sientes un gran respeto por la ingenuidad de algunas propuestas que son hechas “de corazón” y, desde luego, la otra sensación es la de un profundo escepticismo hacia las ideas que allí se proponen, al escuchar alguna explicación de cómo las turbulencias de los agujeros negros, las explosiones durante la formación de galaxias, los neutrinos pesados y la materia oscura fría resolvía todos aquellos problemas…, puedes llegar a la conclusión de que, en verdad, no sabemos nada y queremos, ocultar nuestra ignorancia con respuestas ¿descabellas? Bueno, algunas veces sí.

Lo cierto es que, a pesar de lo que se pueda leer en la prensa en comunicados oficiales y otros medios, todavía no tenemos ese “bálsamo milagroso” que nos permita responder a una pregunta simple:

¿Por qué está el Universo lleno de galaxias?

emilio silvera

 


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