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Mil millones de años de soledad: galaxias en vacíos cósmicos

Título: The Void Galaxy Survey: Star Formation Properties
Autores: B. Beygu, K. Kreckel, J. M. van der Hulst, T. H Jarrett, R. Peletier, R. van de Weygaert, J. H. van Gorkom, M. A. Aragon-Calvo.
Institución del primer autor: Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, Países Bajos.
Estado: Aceptado para publicar en Monthly Notices of The Royal Astronomical Society

En su mítica novela Cien Años de Soledad, el escritor colombiano y premio Nobel de Literatura Gabriel García Márquez dio vida a personajes que parecieran haber estado destinados a padecer la soledad, como una característica innata de la familia Buendía. En ocasiones, la soledad nos aterra.  Como seres humanos, tenemos la predisposición a vivir en comunidad (a excepción de esos días en que odiamos a todo el mundo), ya que esto supuso una enorme ventaja evolutiva en el pasado: cooperación mutua, protección, una mayor tasa de reproducción, y en general, una vida más feliz.

En el mundo de las galaxias, las cosas parecen no ser tan distintas como uno pudiera pensar. Si bien conocemos poco acerca de los procesos de formación y evolución de galaxias en detalle, numerosos estudios han mostrado que algunas propiedades dependen fuertemente del entorno en que las galaxias se encuentran. Galaxias más masivas y rojas parecieran habitar preferentemente en cúmulos densos, intercambiando gas, colisionando, hostigando e incluso destruyendo a sus vecinas.  Las galaxias azules tienen a ocupar regiones del “campo”, en donde la densidad promedio de galaxias es menos extrema, y las interacciones no son tan frecuentes. Pero, como hemos visto en un post anterior, existen regiones en el universo con propiedades muy opuestas a los cúmulos de galaxias: se trata de los llamados vacíos cósmicos, inmensas regiones con forma de burbuja, rodeados por las paredes de los filamentos de la estructura a gran escala del universo, los cuales poseen una densidad muy baja de galaxias (20% de la densidad media del universo). La pregunta lógica que surge, según lo discutido anteriormente, es: ¿cómo varían las propiedades de las pocas galaxias que habitan en los vacíos cósmicos, comparadas a su contrapartida en los cúmulos o el campo? ¿Acaso la eterna soledad de esta galaxias que vagan por extensos vacíos siderales les otorga propiedades físicas únicas?

En este trabajo, los autores utilizan una muestra de 59 galaxias del Void Galaxy Survey (VGS). Mediante algoritmos especializados de búsqueda, se pudo determinar que estas galaxias habitan en vacíos cósmicos identificados en el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). El objetivo de VGS es estudiar con gran precisión la tasa de formación estelar, el contenido de gas y metalicidad, entre otras propiedades de estas galaxias, con el fin de poder determinar si poseen alguna característica substancial comparadas con otras galaxias en entornos más comunes. En la Figura 1 se pueden apreciar dos de las galaxias de la muestra VGS (en el centro de cada cubo). Es posible distinguir la estructura a gran escala del universo con un poco de imaginación en la figura izquierda, mientras que en la figura derecha se hace evidente la presencia de un filamento bastante grueso que rodea al vacío que hospeda a la galaxia VGS 32.

 

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Figura 1: La distribución a gran escala de galaxias en un volumen de 25 Mpc/h de lado. En el centro de cada imagen se ubican las galaxias #12 y #32 del Void Galaxy Survey. Las otras galaxias que las rodean han sido coloreadas según su color g – r. Si g – r es mayor a 0.6, se colorean de color rojo, y de caso contrario, se representan con color azul. El tamaño de las esferas representa la luminosidad de la galaxia. Esferas grandes son galaxias con Mr < -18, y las pequeñas tienen Mr > -18. Figura 1 en el artículo original.

 

La primera característica importante a notar en la muestra seleccionada en este trabajo es que se trata de galaxias de relativamente baja masa (menor a 10 mil millones de masas solares) y de colores más bien azules, lo cual concuerda con estudios anteriores de galaxias en vacíos cósmicos que indicaban que estas son galaxias de baja masa, de tipo tardío (espirales o irregulares) y con colores azulados producto de procesos de formación estelar. Con el objetivo de realizar una comparación entre los distintos tipos de galaxias, clasificadas según su entorno, se seleccionó una segunda muestra con galaxias de campo en ambientes más típicos, como los bordes de los vacíos cósmicos (que vendrían a ser las regiones exteriores de los filamentos).

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Figura 2: Panel izquierdo – La tasa de formación estelar (corregida por extinción) normalizada por la masa de hidrógeno neutro (panel superior) y normalizada por la masa estelar total (panel inferior). Panel derecho – El promedio de la tasa de formación estelar, normalizada por la masa de hidrógeno neutro y la masa estelar, en cada caso. Las líneas rojas corresponden a galaxias que habitan en vacíos cósmicos de la muestra VGS, mientras que las demás líneas corresponden a galaxias de muestras de comparación. Las muestras JCMT Y LV son galaxias que habitan en ambientes típicos, mientras que la muestra ALFALFA low density contiene galaxias en ambientes de baja densidad. Es posible apreciar que la tasa de formación estelar específica (tasa de formación estelar dividida por la masa estelar) decrece en función de la masa estelar de la galaxia, y esta tendencia se mantiene independiente de la muestra de galaxias que se considere. Pareciera ser que a una masa estelar fija, las galaxias en vacíos poseen una tasa de formación estelar específica mayor que las de las muestras de comparación. Figura 17 en el artículo original.

 

Tras un cuidadoso análisis, los autores pudieron determinar que la tasa de formación estelar específica (tasa de formación estelar dividida por la masa estelar total) de las galaxias VGS, tanto en función de la masa estelar total de la galaxia, como en función de la masa de hidrógeno neutro, son similares a las de las galaxias de campo. Además, encontraron que la formación estelar promedio de estas galaxias es más bien baja. Sin embargo, para una masa estelar fija, las galaxias VGS tienen a tener una tasa de formación estelar marginalmente más elevada que las galaxias de campo. Esta diferencia podría explicarse si suponemos que las galaxias en los vacíos son más eficientes en acrecer gas frío que las galaxias de campo, las cuales se encuentran en un entorno en que es más probable que la interacción con otra galaxia o cúmulo afecte o frene este acrecimiento de gas, el cual es necesario para la formación estelar. Esto ha sido sugerido por estudios anteriores relacionados con el tema.

Al ser las galaxias que habitan en vacíos bastante escasas, se hace difícil construir una muestra lo suficientemente extensa como para desarrollar un estudio estadístico con el nivel de precisión que uno esperaría para poder comprender en mejor detalle la física que gobierna a estos objetos. Si bien algunas tenues diferencias con respecto a las galaxias de campo fueron detectadas, el error asociado a las mediciones y la pequeña muestra estadística sigue manteniendo el suspenso. Con el advenimiento de futuros surveys a gran escala del universo (como el LSST, por ejemplo), nuestra colección de galaxias aumentará significativamente, y quizá entonces podamos obtener resultados más conclusivos en este tipo de estudios.

De una u otra forma, la soledad moldea nuestras vidas, y quizá también la de las galaxias. ¿Por qué estas galaxias solitarias son predominantemente azules, y con masas relativamente bajas? ¿Acaso un entorno poco denso favorece una evolución de este tipo, o se trata sólo de una fase transitoria? ¿Cuánto dependen estos resultados en las definiciones y criterios seleccionados para identificar los vacíos cósmicos? Muchas preguntas, y por el momento pocas respuestas.

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