Un mapa de nuestra Galaxia desde adentro

• Título: Evolution of Molecular And Atomic Gas Phases in the Milky Way
• Autores: Jin Koda, Nick Scoville, Mark Heyer
• Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University, Stony Brook, NY
• Estatus: Aceptado por ApJ.

Hacer un mapa es complicado

Pensemos por un momento en la manera de hacer un mapa.  Al imaginar un mapa, lo primero que me viene a la mente es un mapa de la Tierra.  Puede ser un mapa de mi ciudad, mi país, el país donde estoy o quiero ir de viaje, o un globo.  Sobre todo el objeto más cercano a mi experiencia es la Tierra, y sus mapas tiene mucha importancia en mi vida cotidiana.

Figura 1: Mapa del mundo babilonio, del año 500 a.C. (British Museum, Creative Commons).

Pero la Tierra es muy grande, y empiezo preguntar ¿cómo se hicieron los primeros mapas?.  Podemos ver en el mapa del mundo de Babilonia que midieron el territorio de Babilonia, mostrando las ciudades alrededores con círculos, algunas marismas y ríos, y con triángulos “las regiones misteriosas.”  Incluso se omitieron regiones conocidas en esa epoca, como las regiones persas y egipcias, y algunos 2500 años después ya conocemos un mundo aun más grande.  Con el tiempo — mientras los viajes de los navegantes amplían, empujado por conquistar los territorios de todo el mundo — los mapas se hacían más amplios y detallados.  La palabra geometría significa “medir la tierra”, y eso es lo que hacían los navegantes durante sus viajes, a través de un método de triangulación.  Hoy en día tenemos algunas herramientas para ayudar y profundizar las mediciones — por ejemplo, brújulas magnéticas, cámaras fotográficas, y satélites.

Si acordamos que hacer un mapa del mundo es un proyecto grande, hacer un mapa de la galaxia es un proyecto aun más grande.  Tenemos un gran desafío que no tenemos al hacer un mapa de la tierra — nos encontramos dentro de la galaxia Via Láctea, y con la tecnología hoy en día no podemos salir para sacar una foto de afuera.  A pesar de este desafío, los astrónomos quieren conocer nuestra galaxia y su composición. ¿Cómo lo podemos hacer?

Medir el gas de la Vía Láctea

Los astrónomos de la publicación que presento hoy analizaron datos de archivo (que significa que otros grupos observaron y se hicieron sus observaciones públicas, es una práctica popular en la astronomía actual) de hidrogeno atómico (HI) y monóxido de carbono (CO).  Son observaciones extensas del gas atómico y molecular de la galaxia.  ¿Porqué estos elementos?  Nuestra galaxia tiene una forma de un disco espiral, y mientras las estrellas brillan y hacen lindo el cielo nocturno, el gas atómico y molecular es más difuso y forma una gran parte de la estructura de la galaxia.

Figura 2: Una ilustración de la Vía Láctea, una galaxia espiral.  Sobre la ilustración por Churchwell et al. (2009), Koda et al. dibujaron la ubicación del Sol, la longitud galáctica, el centro de la galáxia (G.C.), las distancias desde el centro, y los brazos espirales.  Los brazos mayores son Scutum-Crux (rojo) y Perseus (verde), y los menores son Sagittarius-Carina (azul) y Norma-Cygnus (celeste).  (Figura 1 de Koda et al. 2016)

Se sabe desde décadas que la Vía Láctea es una galaxia espiral (Figura 2), y que el medio interestelar tiene varios componentes. Algunos son atómico y molecular.  La distribución, formación, y evolución del gas atómico y molecular siguen siendo desconocidas (Scoville & Hersh, 1979; Blitz & Shu, 1980; Heyer & Dame, 2015).  Dos investigaciones de CO tenían conclusiones distintas: (1) las nubes moleculares existen solo en los brazos de la espiral y no en las regiones entre-brazo, o (2) las nubes moleculares pueden sobrevivir tiempos más largos (>100 millones años) y existen en las regiones de los brazos y entre-brazos.  Las preguntas de los autores hoy son: ¿dónde existen el gas molecular y atómico en la Vía Láctea?, y ¿en qué proporción?

El método es analizar variaciones en la fracción del gas molecular (f_mol) en las direcciones radial y azimutal.  Esta fracción es la cantidad de gas molecular divida por gas total (gas molecular más gas atómico).  El gas atómico se mide con la intensidad de la linea 21 cm de HI.  El gas molecular se mide con las observaciones de CO, y después una relación entre CO y hidrogeno molecular, la molécula más abundante pero difícil de detectar (Bolatto et al., 2013).

En la Figura 3, se ve la Vía Láctea en el espacio de parámetros de longitud y velocidad (en vez de los ejes espaciales, latitud y longitud).  Esta vista de la galaxia es muy informativa, porque hay una ambigüedad en la distancia de las regiones que observaron.  Es difícil saber, con las velocidades que miden del gas, si el gas está en la mitad cercana o lejana de la galaxia.  Es decir, a través de las medidas, hay dos posibilidades de su ubicación.  Entonces, si un análisis depende de la distancia (el caso de las investigaciones anteriores), hay incertidumbre en las medidas y las conclusiones.  Los autores Koda et al. hacen un análisis independiente de la distancia, porque se trata de la fracción molecular (f_mol) en que las distancias “anulan” en el numerador y el denominador.

Luego, los autores miden la fracción molecular como función de radio galáctico (R).  En una muestra de esta relación (Figura 4), se ve los resultados del trabajo: (1) hay una tendencia descendente de f_mol como función del radio; (2) en la región central (R<6 kpc) de la galaxia la fracción del gas molecular es f_mol>50%, mientras a distancias mayores (R>6 kpc) la fracción es menor (f_mol<50%); y (3) la variación azimutal de f_mol es pequeña (20%) en la región central, y más grande (40-50%) a distancias mayores.   Es decir, la mayoría del gas molecular se encuentra en la región central, donde no hay mucha variación entre zonas del brazo y entre-brazo; al contrario, menos gas molecular existe en la región lejana, y lo que hay se encuentra en los brazos.

Figura 3: En el eje x la longitud galáctica, y en el eje y la velocidad. Desde arriba hasta abajo, muestran el gas atómico (HI), el gas molecular (CO), y la fracción molecular. Se ve que la mayoría del gas atómico tiene velocidad baja, mientras el gas molecular se encuentra en los brazos espirales y puede tener una velocidad variada.  Esta medida de calcular la fracción molecular es independiente de la distancia a las regiones observadas. (Figura 2 de Koda et al. 2016)

Figura 4: Fracción de gas molecular, en función de radio galáctico. En el cuadro de arriba, se suma entre latitud de 30 grados arriba y de abajo del plano; mientras en el cuadro abajo se suma entre latitud de +/-1.5 grados. La pendiente negativa significa que la mayoría del gas molecular se encuentra en radios menores. La dispersión (la diferencia entre los puntos mayores y menores por radio) significa la ubicación del gas entre las regiones brazo y entre-brazo de la espiral. (Figura 4 de Koda et al. 2016)

Un mapa de la Vía Láctea

Los autores logran hacer un mapa de la Vía Láctea, con observaciones desde adentro hacia afuera.  Vuelven a la controversia provocada por los resultados contrarios entre dos investigaciones anteriores: ¿dónde existen el gas molecular y atómico en la Vía Láctea?  Resulta que la verdad puede ser una mezcla de las dos teorías.  Los componentes del medio interestelar tienen una distribución distinta en la zona cercana al centro de la galaxia, y la zona más lejana.  En la zona interior, las nubes moleculares sobreviven un paso a través de un brazo espiral, y existen en los brazos y entre-brazos en cantidades iguales, aunque las nubes más grandes se encuentran en los brazos.  En la zona lejana, el gas se convierte de atómico a molecular y vuelve a atómico luego de atravesar un brazo.

Figura 5: Dibujo del medio interestelar de la Vía Láctea. En las regiones cercanas al centro, las nubes moleculares grandes “viven” en uno de los dos brazos espirales, y las nubes pequeñas viven en las zonas entre-brazos. En los alrededores, las nubes se encuentran solamente en los brazos.  En este dibujo, solo muestran los brazos mayores. (Figura 9 de Koda et al. 2016)

Los autores dibujan un mapa del gas atómico y molecular en la Vía Láctea (ver Figura 5).  No es un mapa fotografiado de nuestra Galaxia, pero es una muestra importante del material que compone la espiral.   Como los navegantes antiguos, estamos preparados para algún día seguir explorando nuestro barrio galáctico.