Desempolvando la historia de la Vía Láctea

• Título original: A time-resolved picture of our Milky Way’s early formation history
• Autores: Maosheng Xiang, Hans-Walter Rix
• Institución de los autores: Instituto Max Planck para la Astronomía, Heidelberg, Alemania.
• Estado de la publicación: Publicado con acceso abierto en Nature y arXiv.

La Vía Láctea es una galaxia de tipo espiral barrada que contiene entre 100 y 400 mil millones de estrellas. Una de ellas es ni más ni menos que nuestro propio Sol, por lo que en noches oscuras la Vía Láctea es fácil de distinguir en el cielo, como se ve en la Figura 1. Desde la época de la antigua Grecia (y probablemente antes también), hemos buscado respuestas acerca de esa intrigante estructura en nuestro cielo, y el artículo de hoy aporta su granito de arena en esa búsqueda, más precisamente acerca del proceso a través del cuál fue formada.

Estrella jóven, estrella vieja

El artículo intenta arrojar un poco de luz sobre la historia de formación de nuestra galaxia. Pero, ¿a qué nos referimos cuando decimos “historia de formación”? La idea es observar grupos de estrellas en ubicaciones similares en la galaxia, e intentar estimar cuándo fueron formadas y cuáles eran las condiciones de su entorno. Así, la pregunta original se divide en dos partes: primero, ¿cómo determinamos precisamente la ubicación de una estrella en la galaxia?, y luego, ¿cómo podemos estimar la edad de una estrella? Vamos por partes.

Encontrar la posición exacta de una estrella no es una tarea sencilla, dado que solo conocer su posición en el cielo no nos da información sobre la distancia a la cuál se encuentra. Una de las formas más usadas para obtener la distancia a una estrella es mediante la técnica de la paralaje: si miramos una estrella desde dos posiciones distintas, vamos a verla ligeramente desplazada. Si conseguimos medir ese ángulo de desplazamiento, un poco de trigonometría nos dará la distancia. Un esquema de esta técnica puede verse en la Figura 2. El problema es que para estrellas en las partes más alejadas de nuestra galaxia, ese ángulo de desplazamiento es extremadamente pequeño. Aquí es donde entra en juego GAIA, la sonda espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA). GAIA está diseñada para medir posiciones de estrellas con una precisión asombrosa. Aún para las estrellas más débiles, GAIA es capaz de medir desplazamientos equivalentes al diámetro de un pelo humano a una distancia de 300 km. Con esto, la primera parte del problema está resuelta

El siguiente punto a resolver es el de la edad de una estrella. Para ello los autores comparan las observaciones con modelos teóricos sobre evolución estelar, que nos dicen que la mayoría de las estrellas pasan la mayor parte de su vida alimentadas por la fusión de hidrógeno en su núcleo, en la llamada secuencia principal. Cuando el hidrógeno en el núcleo de las estrellas poco masivas se acaba, el equilibrio entre radiación y gravedad se rompe, haciendo que la estrella se contraiga, pero esta contracción hace que la temperatura en el núcleo vuelva a aumentar, haciendo posible la fusión de elementos más pesados y por consiguiente una nueva expansión, pasando a la etapa de gigante. La etapa intermedia entre la secuencia principal y la gigante es llamada la etapa subgigante, y debido a que es muy breve (en terminos estelares, “apenas” unos pocos millones de años) es ideal para determinar la edad de una estrella. Usando datos de GAIA y del telescopio chino LAMOST, los autores lograron determinar la edad de casi 250000 estrellas subgigantes como puede verse en la Figura 3.

Los autores analizaron también otro parámetro de la composición de las estrellas: la metalicidad. Para comprender la metalicidad es útil pensar a las estrellas como una cocina de nuevos elementos: inmediatamente luego del Big Bang, el universo estaba compuesto principalmente por hidrógeno. Estas grandes cantidades de hidrógeno fueron formando grumos, que se contrajeron gravitacionalmente formando las primeras estrellas, alimentadas por la fusión de hidrógeno. El resultado de este proceso son elementos más pesados, agrupados en 2 grandes categorías, por un lado el helio, y por otro todos los elementos más pesados, que en astronomía son llamados genéricamente “metales”. Una vez que la vida de la estrella llega a su fin, estos metales son expulsados, se mezclan con el hidrógeno y el ciclo vuelve a empezar, formando nuevas estrellas. La diferencia es que estas estrellas de segunda generación tienen una cantidad inicial más grande de metales (o sea, una metalicidad mayor), por lo que medirla también da una idea acerca del número de veces que ese material fue usado para formar una estrella.

La etapa más dura, la adolescencia

Con toda esta información, los autores pudieron finalmente estudiar la historia de nuestra Vía Láctea, como se ve en la Figura 4. Los hallazgos más importantes se ubican en las etapas más tempranas de su historia, cuando aún se trataba de una galaxia jóven:

• Una parte del disco de la galaxia, llamada disco grueso, tiene una metalicidad muy baja. Este hecho ya era conocido, pero los autores lograron situar su formación hace 13 mil millones de años, “solo” 800 millones de años después del Big Bang, mucho antes que las estimaciones anteriores.
• En el panel inferior derecho de la Figura 4 se puede ver una relación casi lineal entre la metalicidad y la edad para el segmento de metalicidad entre -1.0 y 0.5, en los primeros 5 mil millones de años de vida. Esto era esperado, por lo explicado anteriormente, pero que la probabilidad esté tan agrupada indica no solo que las estrellas nuevas fueron formadas con los remanentes de las anteriores, sino que esos remanentes fueron bien mezclados con el hidrógeno de su alrededor. El mecanismo que generó esta mezcla todavía es desconocido
• Se puede ver un incremento muy grande en la formación de estrellas alrededor de τ=11 mil millones de años. Los autores analizaron además las trayectorias de esas estrellas, y encontraron que la gran mayoría no se mueve tranquilamente alrededor del centro galáctico como sería esperado, sino que tienen trayectorias mucho más complicadas. Esto indica que su nacimiento no es producto del proceso usual, sino que provienen de una colisión de la Vía Láctea con una galaxia satélite, probablemente Gaia Enceladus.

Lo presentado en este artículo por los investigadores es interesante no solo por los nuevos datos que aporta sobre la historia de nuestra galaxia, sino por las perspectivas que plantea. Si se pudo obtener toda esta información usando únicamente estrellas subgigantes, las posibilidades son inmensas si también se usan otros tipos de estrellas. Así que una cosa es segura: ¡esto no será lo último que escuchemos acerca de la formación de la Vía Láctea!

Imagen destacada: impresión artística de la colisión entre la Vía Láctea y la Gaia Enceladus. Crédito: Belokurov (Cambridge, UK) basado en una imagen de ESO/Juan Carlos Muñoz