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Pesando la componente mas liviana y extensa de la Vía Láctea: el halo de estrellas

Título del artículo técnico: The total stellar halo mass of the Milky Way.

Autores: Alis J. Deason, Vasily Belokurov, Jason L. Sanders.

Institución de la primera autora: Institute for Computational Cosmology, Deparment of Physics, University of Durham.

Estado: Enviado a Monthy Notices of the Royal Astronomical Society.

¿Qué es el halo estelar?

Figura 1. Representación artística de la galaxia enana Sagitario (en rojo) fusionándose con la Vía Láctea. Las estrellas que alguna vez fueron parte de Sagitario y ahora son parte de la Vía Láctea se muestran en blanco. La posición del Sol se muestra con el punto amarillo. Fuente: blog.sdss.org

Hay un lugar en la galaxia donde está escondida la evidencia de cómo se ha ido formando la Vía Láctea, el halo estelar. Esta componente que rodea el disco de la Vía Láctea  se extiende hasta distancias de 100 kpc. (En este video puedes ver una simulación de cómo se forma un halo estelar). La mayoría de las estrellas que hoy están en el halo estelar alguna vez fueron parte de otras galaxias que se fusionaron con la Vía Láctea  y dejaron estrellas distribuidas por toda la Vía Láctea.  Esto es lo que está sucediendo con la galaxia enana de Sagitario, que está en proceso de fusión con nuestra galaxia, y cuyas estrellas están terminando en el halo de la Vía Láctea (ver Figura 1).

El halo estelar no sólo es importante para estudiar el cómo se ha ido formando la Vía Láctea, sino también posee información muy valiosa sobre su contenido de materia oscura ya que son estas estrellas cuyo movimiento revela que el potencial gravitacional de la galaxia contiene materia oscura. Por lo tanto estudiar las características del halo estelar es fundamental. En el astrobito de hoy, veremos cómo se puede medir la masa de esta fascinante componente de la Vía Láctea.

Recordemos que la masa de una estrella no es una cantidad que se pueda medir directamente sino que se deduce a partir de otras cantidades cómo por ejemplo la luminosidad, ya que en general esta es proporcional a su masa. Entonces, sabiendo la luminosidad de todas las estrellas del halo estelar se puede derivar su luminosidad total y a partir de ésta, su masa total. Cómo pueden imaginar, medir la luminosidad total es difícil ya que no se pueden observar todas las estrellas del halo. Algunas son muy tenues y muy distantes y otras simplemente no se pueden observar porque están detrás del disco. Sin embargo, se puede medir aproximadamente cual es la luminosidad total del halo estelar. Para esto los autores del artículo de hoy, hicieron uso de sus conocimientos de evolución estelar.

Figura 2: Diagrama Hertzsprung-Russell (color-magnitud). Magniud o Luminosidad de una estrella en funcion de su temperatura. Las estrellas recien se forman empiezan su evolucion en la secuencia principal (franja gris) donde pasan gran parte de su vida. En sus etapas finales, cuando dejan de quemar hidrogeno las estrellas vuelven gigantes y salen de la secuencia principal cómo muestran las lineas azules. El camino que reocorren dependera de la masa de cada estrella, esto es ilustrado con las diferentes lineas azules. Credito de la imagen: https://web2.ph.utexas.edu/~coker2/index.files/nucleosynthesis.htm

Asumiendo que se sabe cuál es la distribución de masas de las estrellas cuando nacen (puedes leer tambien este astrobito) se puede saber cómo evolucionan y qué tipo de estrellas son ahora: de la secuencia principal, gigantes rojas, azules, variables, etc. Cada estrella va a quemar Hidrógeno y Helio en escalas temporales diferentes, y así la evolución de cada estrella es diferente dependiendo su masa inicial.  La mejor forma de visualizar esta evolución es con el diagrama color-magnitud mostrado en la Figura 2  (uno de los diagramas más famosos en astronomía). Puedes leer mas sobre usos del diagrama color-magnitud en estos interesantes astrobitos:  ¿Súper gigante? ¿Azul violenta, amarilla tibia o roja polvosa? La conspiración de la evolución estelar, parte I El Halo de estrellas de NGC 1560

Los autores usaron aplicaron este método a los datos del satélite Gaia Las mejores estrellas para esto son las estrellas rojas que están en la rama de las gigantes (RGB) del halo estelar. Como Gaia realiza un sondeo homogéneo del cielo tanto espacial como en sensitividad, la mayoría de las estrellas RGB han sido observadas y la muestra es muy completa.  Mejor aún, estas estrellas se pueden diferenciar de las estrellas RGB del disco ya que Gaia también mide los movimiento propios de las estrellas y así saber cuales se mueven  con en el disco y cuáles no. Una vez seleccionadas las estrellas se calculó la luminosidad de las RGB; a partir de ésta, la luminosidad total del halo; y a partir de ella, la masa total: ¡1.5 x 109 masas solares! Esto es más o menos 10% de la masa del disco de la Vía Láctea y 1% de la masa total de la galaxia incluyendo materia oscura.

¿Qué tan masivo es el halo estelar de la Vía Láctea comparado con otras galaxias?

En la Figura 3 se muestra la comparación de esta nueva medida (estrella amarilla) con el halo estelar de nuestra galaxia vecina Andrómeda (círculo verde), con el de otras galaxias (círculos azules y negros) y con los de simulaciones cosmológicas (círculos grises).  En el eje y se muestra la fracción de masa en el halo estelar -razón entre la masa del halo estelar y la masa total de la galaxia-, en función de la masa total de la galaxia (eje x). La nueva medida es tres veces más masiva a lo estimado anteriormente. Pero comparada con las demás galaxias observadas y las simuladas, la Vía Láctea tiene un halo estelar no muy masivo.

Gracias a las simulaciones, se ha podido relacionar la masa del halo estelar con su tiempo de formación. Es decir, se puede estimar cuándo fue la última interacción de una galaxia con la Vía Láctea . Esta estimación, combinada con otros estudios de la metalicidad del halo, está poniendo en evidencia que la mayoría del halo estelar fue creado por una o dos galaxias que fueron engullidas por la Vía láctea hace aproximadamente diez mil millones de años. (Recuerden que la edad del Universo es de trece mil millones de años.)  Es así como seguir estudiando el halo estelar nos revelara como nuestra galaxia se ha ido formando desde los principios del Universo.

Figura 3. Fracción de masa en el halo estelar, razón entre la Masa del halo estelar y la masa total de la galaxia, en función de la masa total de la galaxia (eje x). La comparación de esta nueva medida 1.5 x 10^9 masas solares (estrella amarilla), con el halo estelar de nuestra galaxia vecina Andrómeda (círculo verde), con el de otras galaxias (círculos azules y negros) y con los de simulaciones cosmológicas (círculos grises) revela que nuestra galaxia tiene un halo estelar poco masivo. Credito imagen: https://arxiv.org/abs/1908.02763.

 

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