Cómo la Vía Láctea consiguió sus brazos espirales

• Título del artículo: Discriminating among theories of spiral structure using Gaia DR2
• Autores: J. A. Sellwood, Wilma H. Trick, R. G. Carlberg, Johanna Coronado, and Hans-Walter Rix
• Institución del primer autor: Observatorio Steward, Universidad de Arizona, Tucson AZ, USA
• Estado del artículo I:  Sometido a MNRAS, acceso abierto en arXiv
• Astrobite original: How the Milky Way Got its Spiral Arms por Tomer Yavetz

Las galaxias espirales reciben su nombre por sus características más prominentes y sorprendentes: sus brazos en espiral. Estos filamentos de estrellas y polvo bien enrollados son sin duda una de las razones principales por las que las imágenes de galaxias espirales, tomadas originalmente con fines de investigación, a menudo son popularmente parte de fondos de escritorio o como páginas centrales de los libros de mesa de café. La intuición enlaza correctamente la estructura espiral con el movimiento de rotación de estas galaxias, pero el mecanismo preciso responsable de la formación de los brazos espirales aún no se conoce bien. El objetivo del artículo de hoy es mejorar esta imagen comparando los mapas generados a partir de la segunda publicación de datos del telescopio espacial Gaia con las simulaciones.

Figura 1: La Whirlpool Galaxy y sus espectaculares brazos en espiral (crédito: NASA / ESA).

Se han propuesto varias teorías para explicar cómo se forman los brazos espirales. Quizás la más intuitiva de estas, conocida como el modelo del brazo material, indica que los brazos espirales representan densidades excesivas en la galaxia que se han enrollado alrededor del núcleo galáctico debido a la rotación de la galaxia (ver figura 2). Una teoría de la competencia afirma que los brazos espirales son características transitorias que resultan de la superposición de ondas de densidad inestables que hacen que las estrellas se agrupen o se dispersen de forma intermitente.

Desafortunadamente, es una tarea difícil estudiar los brazos espirales en la realidad para poder probar estas teorías. Tradicionalmente, los astrónomos han confiado en comparar simulaciones de galaxias espirales con observaciones reales; pero incluso esto solo proporciona una imagen incompleta. Esto se debe a la dificultad que representa analizar las órbitas de estrellas individuales en los brazos espirales, incluso en nuestra propia galaxia.

Figura 2: Contornos del potencial en el modelo de brazo espiral material para una galaxia giratoria en el sentido de las agujas del reloj. El tiempo para cada panel aparece en la parte superior derecha, y se da en unidades sin dimensiones relacionadas con el radio y la velocidad de la escala a 9 kiloparsecs (la distancia marcada por la línea de puntos en cada panel). Los tiempos negativos en los paneles superiores corresponden a una galaxia giratoria en sentido contrario a las agujas del reloj (Crédito: Figura 9 en el artículo).

Todo esto ha cambiado desde que Gaia comenzó su recorrido de observación. El telescopio espacial de la Agencia Espacial Europea ha traído una revolución en la astrofísica galáctica, al proporcionar datos precisos de posición y velocidad para aproximadamente mil millones de estrellas en el vecindario Solar. Esta increíble cantidad de datos ha permitido a los astrónomos realizar estudios sin precedentes que investigan las características de nuestra galaxia (por ejemplo, consulte aquí, aquí y aquí). El artículo de hoy aprovecha esta información para evaluar las diversas teorías de los brazos en espiral.

Los autores seleccionan un subconjunto de estrellas del conjunto de datos de Gaia que se encuentran en el disco delgado de la Vía Láctea y, por lo tanto, se esperaría que sean mejores trazadores de la subestructura espiral. Para garantizar una alta precisión, descartan estrellas más allá de 200 parsecs del Sol, después de esto aún terminan con una impresionante muestra de más de 300,000 estrellas, la mayoría de las cuales tienen distancias medidas con incertidumbres superiores al 1%. Luego producen varios mapas de estas estrellas, con varias proyecciones de sus coordenadas (ver figura 3). Para producir algunos de estos mapas, los autores utilizan las posiciones y velocidades de las estrellas para calcular sus acciones, cantidades como el momento angular que permanecen constantes a lo largo del tiempo y, por lo tanto, pueden usarse para definir la trayectoria completa de la órbita de una estrella individual (como se muestra en la panel derecho de la figura 3). El espacio de acción resulta ser particularmente útil para revelar las subestructuras que pueden ser responsables de la configuración en espiral de la galaxia.

Figura 3: Dos proyecciones de los datos de ~ 300,000 estrellas de Gaia. El panel de la izquierda muestra la densidad de las estrellas en términos de sus componentes de velocidad en el plano del disco de la Vía Láctea (U y V), con respecto al Sol. El panel de la derecha representa la densidad en el espacio de acción, con la componente-z del momento angular en el eje x y la acción radial (que también es una constante para cada órbita) en el eje y. Ambos ejes se dan con respecto a la componente z del momento angular del Sol. La subestructura en ambas parcelas indica desviaciones de una función de distribución suave, como las sobredensidades que aparecen como brazos en espiral (Figura 3 en el artículo).

Tras haber trazado mapas los datos reales de Gaia, los autores intentan reproducir estos mapas utilizando cada una de las teorías propuestas para la formación de los brazos en espiral. En cada caso, comienzan con la simulación de una distribución suave de estrellas e introducen una perturbación predicha por una de las teorías que intentan probar. Luego producen mapas similares a partir de sus simulaciones y los comparan con los datos reales.

El panel de la izquierda de la figura 4 muestra la proyección del espacio de acción para el modelo de modo transitorio (en el que los brazos espirales son inestabilidades de corta duración). El panel de la derecha de esa figura muestra la misma proyección para los datos reales de Gaia (igual que el panel de la derecha de la figura 3), esta vez en color para resaltar cinco características similares a la predicha en la simulación. Similitudes adicionales entre esta simulación y los datos de Gaia también aparecen en otras proyecciones, lo que sugiere que el modelo de modo transitorio puede ser la explicación correcta para los brazos espirales de la Vía Láctea. Las simulaciones para la teoría del brazo material no coinciden con los datos tan bien como con el modelo de modo transitorio, aunque los autores no pueden descartarlos por completo. También producen una simulación similar para un tercer modelo, conocido como el modelo de agrupamiento en masa vestido (dressed mass clump model), y en este caso son capaces de descartarlo debido a las inconsistencias entre las simulaciones y los datos reales.

Figura 4: Comparación de una característica causada por el modelo de modo transitorio (panel izquierdo) con la distribución real de Gaia (panel derecho), con las características similares en los datos de Gaia resaltados en el panel de la derecha (Figuras 7 y 13 en el artículo).

Entonces, ¿dónde nos deja esto? Los autores prefieren el modelo de brazo transitorio, argumentando que los datos parecen sugerir que los brazos espirales de nuestra galaxia son características de corta duración que aparecen y desaparecen intermitentemente. Aunque el análisis actual no es del todo concluyente y no descarta todas las teorías alternativas, sin embargo, sirve como una gran demostración de los beneficios de los mapas en el espacio de acción. También sirve como otro recordatorio de la extraordinaria cantidad de ciencia nueva que permitió el segundo lanzamiento de datos de Gaia, que continúa inspirando investigación de vanguardia casi medio año después de su lanzamiento. ¡Manténganse al tanto!