Descubren la edad exacta de la Vía Láctea usando "relojes" estelares

23. Marzo 2022

Utilizando un nuevo conjunto de datos único, Maosheng Xiang y Hans-Walter Rix (ambos del Instituto Max Planck de Astronomía) han proporcionado la mejor reconstrucción hasta ahora de lo que podría denominarse los emocionantes años de adolescencia de nuestra galaxia natal: el período entre hace unos 13 y 8 mil millones de años cuando la Vía Láctea vivió duro y rápido, fusionándose con otras galaxias y consumiendo mucho hidrógeno para formar nuevas estrellas, antes de establecerse en una vida más tranquila para los siguientes 8 mil millones de años hasta el presente. El análisis fue posible a través de la reconstrucción de las edades estelares de las estrellas de la Vía Láctea con una precisión sin precedentes, basándose en datos recientes de estudios del cielo. Los resultados se han publicado en la revista Nature.

Comprender la historia de la formación y la evolución de nuestra galaxia de origen es un objetivo importante para la astronomía y la astrofísica, y uno en el que una avalancha de "big data" de alta calidad en los últimos años ha llevado a un progreso impresionante. El nuevo estudio de Xiang y Rix constituye un gran paso adelante al poner fechas mucho más precisas en las diferentes fases de la historia temprana de la Vía Láctea. Esto fue posible gracias a un análisis único que logró determinar las edades de 250.000 estrellas.

Un bosquejo aproximado de la historia de la Vía Láctea

En nuestra comprensión actual, nuestra galaxia natal pasó por varias fases. Durante la "fase bebé" (no es un término astronómico oficial), las galaxias progenitoras pequeñas y ricas en gas se fusionaron para formar un conglomerado que posteriormente creció en nuestra Vía Láctea. Como esas galaxias no chocaron de frente, impartieron un giro en la estructura resultante, presumiblemente aplanándola en lo que ahora vemos como el llamado disco grueso de nuestra Vía Láctea: gas y estrellas en un panqueque plano, de 100.000 años luz de diámetro y 6.000 años luz de espesor.



Estructura básica de nuestra galaxia natal. Los nuevos resultados prevén una reconstrucción de la historia de la Vía Láctea, en particular de la evolución del denominado "disco grueso"


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Estructura básica de nuestra galaxia natal. Los nuevos resultados prevén una reconstrucción de la historia de la Vía Láctea, en particular de la evolución del denominado "disco grueso"

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También hubo una serie de fusiones adicionales con galaxias que eran algo más pequeñas que la Vía Láctea. Crearon el llamado halo estelar que rodea el disco de la Vía Láctea, y generalmente sacudieron las cosas. Los "años adultos" que siguieron fueron mucho más tranquilos e implicaron una actividad constante de formación estelar en el llamado disco delgado, que es más joven y solo tiene unos 2000 años luz de espesor.

Uso de edades estelares para sondear los años de la adolescencia

El nuevo resultado de Xiang y Rix ahora desarrolla con más detalle que nunca, la historia de la adolescencia productiva de la Vía Láctea, desde hace unos 13 a unos 8 mil millones de años. La clave de esa reconstrucción fue que los astrónomos lograron determinar con precisión las edades de aproximadamente 250,000 estrellas individuales. En astronomía, eso es cualquier cosa menos una tarea fácil. Pero hay un tipo de estrella, los llamados "subgigantes", donde uno puede decir directamente la edad al observar la temperatura y el brillo de la superficie de una estrella. El inconveniente es que los subgigantes son raros: solo un pequeño porcentaje de las estrellas de nuestra Vía Láctea se encuentran en esa breve etapa de su vida en un momento dado.

Afortunadamente, las recientes encuestas exhaustivas proporcionan datos de alta calidad para un número impresionante de estrellas, lo suficiente como para incluir numerosos ejemplos incluso de los tipos más raros de estrellas: la versión de datos temprana 3 de la misión Gaia de la ESA, publicada en diciembre de 2020, proporciona datos de posición y distancias para casi 1.500 millones de estrellas, y la  publicación de datos de la encuesta LAMOST, publicado en 2021, más de 9 millones de espectros estelares que contienen información sobre la temperatura y la composición química de las estrellas. Combinando la información de estas encuestas, Xiang y Rix pudieron construir su extenso conjunto de datos de estrellas con edades conocidas.

Una cita turbulenta con la salchicha Gaia-Encelado

El panorama resultante es notablemente claro. Clasificando las estrellas por edad y composición química, los astrónomos pudieron leer al menos el esquema de la historia de las galaxias adolescentes como un libro abierto, y con la información de la edad, pudieron saber cuándo habían sucedido las diferentes etapas.

Durante los primeros tiempos, toda la acción estaba en lo que ahora llamamos el halo estelar y el disco grueso, que se formó a partir de una entrada inicial de gas. Lo que Xiang y Rix encontraron fue que hace unos 11 mil millones de años, excepcionalmente muchas estrellas nuevas se formaron en nuestra galaxia en un corto período de tiempo. Ese pico muy probablemente sea una consecuencia de una fusión en particular: la llamada Gaia Enceladus / Sausage, una galaxia satélite cuyos restos interrumpidos por la fusión fueron descubiertos y nombrados por dos grupos competidores utilizando datos de Gaia en 2018.

Años de adolescencia inusualmente productivos

En sus datos, xiang y Rix pudieron ver que un prominente pico de formación estelar en el grueso disco hace 11 mil millones de años coincidió con la aparición repentina de numerosas estrellas cuyas órbitas habían cambiado repentina y drásticamente. Esto último es una consecuencia obvia de la interrupción gravitacional por la fusión, lo que sugiere que el pico de formación estelar en la Vía Láctea no solo fue contemporáneo con la fusión Gaia Encelado / Salchicha, sino plausiblemente una consecuencia de ello: las ondas de choque de la colisión de las masas de gas de la galaxia que se fusiona con el gas en nuestra propia galaxia pueden haber desencadenado el colapso de la nube de gas y la formación de estrellas.

Después de que la turbulenta era dominada por la fusión había terminado, el disco grueso continuó formando estrellas de una manera inusualmente productiva. La cantidad total de estrellas formadas sugiere que desde el principio, el disco grueso contenía cantidades impresionantes de gas. Eso también explicaría su grosor: el gas no necesitaba asentarse verticalmente en un disco delgado para crear las condiciones adecuadas para la formación de muchas estrellas. Con tanto gas adecuado alrededor, hacer nuevas estrellas era aparentemente fácil.

Disco grueso de la Vía Láctea: Mezclándolo

A medida que se forman nuevas estrellas, las estrellas masivas en particular producen muchos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, lo que los astrónomos, de manera algo confusa, llaman "metales". Los elementos más pesados tienden a acumularse cerca de las regiones centrales de la galaxia. Por lo tanto, las estrellas que se forman recientemente en esas regiones contendrán más metales que las estrellas formadas en las afueras.

Pero la muestra recolectada por Xiang y Rix muestra algo diferente: desde los primeros tiempos posibles visibles en los datos, ¡hace 13 mil millones de años, apenas 800 millones de años después del Big Bang! Hasta el cambio de ritmo hace 8 mil millones de años, todas las estrellas que se forman en un momento específico parecen tener el mismo contenido de metal. El contenido de metal en sí mismo cambia con el tiempo: cuanto más vieja es una estrella, menos metal contiene.

La explicación más fácil es que, durante todo ese tiempo, hubo una mezcla completa de gas en todo el disco grueso. Este es un resultado clave del nuevo estudio. De esa manera, todas las estrellas nacidas al mismo tiempo heredarían la misma composición química, con la proporción de elementos pesados aumentando con el tiempo, a medida que el gas se contaminaba gradualmente más y más -los astrónomos lo llaman enriquecido- con los productos de los procesos de fusión nuclear de generaciones anteriores de estrellas.

Reconstruyendo la historia de la Vía Láctea

Hace unos 8.000 millones de años, según muestran los nuevos datos, los años productivos de la adolescencia llegaron a su fin. Presumiblemente, esto se debió a que el disco grueso había agotado gran parte de su suministro inicial de gas hidrógeno. Evidentemente, sin embargo, todavía había una entrada constante de cantidades moderadas de gas de hidrógeno fresco desde el espacio intergaláctico. Con la actividad de formación estelar en el disco grueso casi terminada, ese gas podría asentarse lentamente en un disco propio. Pero como no entraba tanto gas, este disco necesitaba contraerse mucho más, a un espesor de solo unos 2000 años luz, para lograr las condiciones adecuadas para la formación estelar (moderada).

El resultado fue lo que ahora llamamos el disco delgado extendido de nuestra galaxia. La larga, casi aburrida edad adulta de nuestra galaxia natal había comenzado. Otra colisión grave y fusión con una galaxia más pequeña podría haber animado un poco las cosas, pero para nuestra galaxia, eso no sucedió, un destino bastante inusual, en comparación con otras galaxias. Lo que es cualquier cosa menos inusual, sin embargo, es la tendencia general: una fase temprana productiva seguida de una vida tranquila parece ser la norma para la evolución de las galaxias, siguiendo las simulaciones por computadora actuales.

Esa es la versión reconstruida recientemente refinada de la historia de nuestra galaxia. Y lo que podría sonar a la par para el curso de un relato de la historia humana - los principales eventos y sus fechas - es bastante inusual para la astronomía. Es muy difícil poner fechas confiables a los eventos en la historia cósmica de nuestra galaxia natal. Que el nuevo estudio haya logrado hacerlo y, por lo tanto, haya podido construir una línea de tiempo detallada de los años de adolescencia de nuestra galaxia, es un gran progreso.

Próximos pasos

Los investigadores están ansiosos por aprovechar su éxito. Mejores datos están a la vuelta de la esquina: se espera un salto en calidad y cantidad alrededor del año 2024 con la 4ª publicación de datos (DR4) de la misión Gaia de la ESA. Las mediciones de distancia más precisas (a través de paralaje) de esa liberación deberían permitir estimaciones precisas de la edad para un número mucho mayor de estrellas, y a distancias considerablemente mayores.

Los estudios espectroscópicos detallados también cubren actualmente el cielo del norte a distancias comparativamente moderadas solamente; eso también cambiará con las próximas encuestas como SDSS-V y 4MOST. Con estas perspectivas, el trabajo pionero descrito aquí bien puede ser el comienzo de un nuevo capítulo de la arqueología galáctica basada en grandes muestras de edades estelares precisas.

 
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