Lluvia Galáctica: el origen de un grupo de nubes de alta velocidad.

• Título: Galactic hail: the origin of the high-velocity cloud complex C
• Autores: F. Fraternali, A. Marasco, L. Amillotta and F. Marinacci
• Institucion del primer autor: Department of Physics and Astronomy, University of Bologna
• Estado del trabajo: Publicado en MNRAS 447,L70-L74, (2015)

Las Galaxias de disco, como la Vía Láctea, deben acretar material de baja metalicidad proveniente del medio intergaláctico (IGM por sus siglas en inglés),  supliendo el material necesario para mantener la formación de nuevas estrellas en la galaxia. De dónde proviene este material y cómo entra este material a la Galaxia sigue siendo un misterio.

De acuerdo con la cosmología, la mayor cantidad de materia bariónica en el universo se encuentra en el medio intergaláctico, sin embargo observar este material es extremadamente difícil.  Recientemente, se ha descubierto que las Galaxias tienen una especie de corona alrededor de ellas de material muy caliente. Esta corona, puede llegar a tener una masa comparable con la masa total de la Galaxia. Esto significa que las Galaxias podrían tener una reserva enorme de gas a su disposición.

Las nubes de alta velocidad (HVCs por sus siglas en inglés), son complejos de nubes frías moviéndose a muy altas velocidades, incompatibles con la dinámica del disco galáctico. Dos escenarios diferentes intentan explicar el origen de estas nubes. El primer escenario es de origen extra-galáctico, y sugiere que estas nubes son el remanente del material que formó la Galaxia. El segundo escenario es de origen galáctico, en donde estas nubes se forman como parte de una fuente galáctica potenciado por explosiones de supernova.

Metodología

Usando una combinación de modelos dinámicos de una fuente galáctica y simulaciones hidrodinámicas de alta resolución, los autores investigan el origen de estas nubes de alta velocidad provenientes del disco galáctico. El material es eyectado del disco de la Galaxia por procesos de retroalimentación estelar, subiendo al halo galáctico e interactuando con material de la corona.

La figura 1 muestra la simulación hidrodinámica de la nube viajando a través de la corona. La diferencia de velocidades y temperaturas entre la nube y la corona da lugar a la generación de turbulencia e inestabilidades. Estos movimientos turbulentos, aumentan la mezcla de material de baja metalicidad en la corona con el material que se desprende de la nube (fig 1b). Este nuevo material se va a enfriar rápidamente, aumentando la masa total en la nube (fig 1c). Este material se va a condensar en estructuras densas y frías que van a sentir una fuerte atracción gravitacional por parte de la Galaxia y van a caer de regreso al disco en forma de lluvia.

Figura 1: Simulación hidrodinámica de una nube viajando en la corona galáctica. La nube que viaja de izquierda a derecha. a) mapa de temperaturas después de 175 Millones de años de evolución. b) acercamiento a una región donde el material de la corona y la nube se mezclan eficientemente. c) Cantidad total de masa en la nube en función del tiempo.

Después de conocer la dinámica de una de estas nubes, los autores utilizan un modelo de una fuente galáctica para determinar la evolución de una de estas nubes en el contexto de la Vía Láctea. Corriendo una serie de modelos variando la velocidad inicial de la nube, el lugar de origen del gas expulsado, el tamaño de la zona de eyección, la duración del evento y hace cuanto tiempo sucedió esta expulsión, los autores pueden comparar las predicciones del modelo con las observaciones. La Figura 2 muestra la distribución de la nube de alta velocidad C con respecto a su lugar de origen y al sol desde dos perspectivas. El modelo sugiere que el brazo espiral responsable de la expulsión de este material ha sido el  brazo (Norma)-Cygnus-Exterior, a una distancia de 9.5 kiloparsec del Centro Galáctico.

Figura 2: Posición de la Galaxia y la nube de alta velocidad (HVC), visto paralelo y perpendicular al plane Galáctico. El contorno azul corresponde a la densidad columnar en HI de la HVC. El panel inferior incluye la posición del Sol, brazos espirales y lugar de la eyección del material de la nube.

La figura 3 muestra la calidad del modelo con respecto a observaciones del complejo de nubes HVC C. El modelo predice que el material fue expulsado de la Galaxia verticalmente a una velocidad de ~210 km s^-1 como resultado de una o mas superburbujas. Este evento tuvo lugar hace 150 Millones de años, duró alrededor de 50 Millones de años y expulsó alrededor de 3.6 x 10⁶ Masas solares de hidrógeno del disco galáctico. Este material expulsado actuó como una semilla para el enfriamiento de mas material en la corona galáctica aumentando la masa total en esta nube a su actual magnitud de ~7 x 10⁶ Masas Solares. Actualmente este complejo de nubes HVC C mide aproximadamente 15 kiloparsec de largo y se extiende hasta una altura de ~10 kiloparsec por encima del plano galáctico.

Seis mapas de velocidades del gas HI en la región de la nube de alta velocidad C (contornos azules). El contorno rojo corresponde a la predicción del modelo presentado en este paper. La emisión de otras regiones como el disco de la Vía Láctea, la deformación del disco Galáctico (Galactic Warp), las HVC A, M, K y el arco IV también se muestran en la figura.

Conclusiones

Con el modelo dinámico de la fuente galáctica y la simulación hidrodinámica presentada, los autores concluyen que la nube de alta velocidad HVC C, fue originada por la expulsión de material del disco de la Vía Láctea. Este material viajó a través de la corona galáctica, mezclándose con este gas caliente y provocando condensación. La fuente del evento que expulso este gas tuvo que ser una región de formación estelar ubicada en el brazo espiral Cygnus-Exterior, a una distancia de ~13.3 kiloparsec de nosotros.

En este contexto, las nubes de alta velocidad, deben ser consideradas como manifestaciones de la fuente galáctica. Estos eventos promueven el enfriamiento del gas caliente y de baja metalicidad de la corona aumentando la condensación del gas el cual regresa al disco galáctico en forma de lluvia.

Los autores concluyen que el enfriamiento de la corona provocado por explosiones de supernova en el disco galáctico es un mecanismo importante para la acreción de gas de baja metalicidad en las galaxias de disco. Estos eventos también explican por qué solamente las galaxias que están formado estrellas continuamente ganan gas del ambiente, cuando las Galaxias elípticas han perdido su habilidad para hacerlo a pesar de encontrarse inmersas en grandes reservorios de gas.