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Gaia, el topógrafo del espacio

La misión Gaia tiene el objetivo de crear un mapa tridimensional de más de mil millones de estrellas de la Vía Láctea y más allá, mapeando sus movimientos, luminosidad, temperatura y composición. Este enorme censo estelar proporciona los datos necesarios para dar respuesta a preguntas importantes relacionadas con el origen, la estructura y la historia evolutiva de nuestra galaxia.

Cinco fascinantes revelaciones de Gaia sobre la Vía Láctea

Con sus dos publicaciones de datos en septiembre de 2016 y abril de 2018, Gaia realmente ha revolucionado el estudio de la Vía Láctea. Marcó el comienzo de la edad de oro de la arqueología espacial, una disciplina que busca entender el comportamiento de las estrellas y las poblaciones estelares que vemos hoy. Gaia no solo revela detalles de la estructura de la galaxia. La misión crea una impresionante memoria astronómica que reconstruye la evolución de la Vía Láctea desde pasado hacia el futuro durante miles de millones de años. Aquí están los cinco descubrimientos más interesantes que Gaia ha hecho sobre la galaxia de la que formamos parte.

1. La Vía Láctea es un caníbal galáctico

Los astrónomos sospechaban que la Vía Láctea nació de colisiones entre galaxias más pequeñas hace miles de millones de años. Telescopios como el Sloan Digital Sky Survey, proporcionó los primeros indicios del pasado violento de la galaxia, pero no fue hasta Gaia que los astrónomos realmente pudieron deconstruir los procesos que llevaron a la creación del Universo que nos rodea. En 2018, un equipo de la Universidad de Groningen, Países Bajos, dirigido por la experta en arqueología espacial Amina Helmi, descubrió que un grupo de 30 000 estrellas se mueve de forma sincronizada a través de la vecindad del Sol en la dirección opuesta al resto de las siete millones de estrellas catalogadas restantes. Este patrón de movimiento atípico coincidía con lo que los científicos habían observado previamente en simulaciones por computadora que modelaban colisiones y fusiones de galaxias. Estas estrellas también destacaron en el llamado diagrama de Hertzsprung-Russell, que compara el color y el brillo de las estrellas, indicando que provienen de una población estelar diferente, es decir, de otra galaxia.

La colección de estrellas que encontramos con Gaia tiene todas las propiedades de lo que cabría esperar de los escombros de una fusión galáctica Amina Helmi

Análisis posteriores confirmaron que las estrellas que ahora forman parte del llamado halo interno de la Vía Láctea y la capa externa del disco de la galaxia, deben haberse originado en otra galaxia. Esta galaxia, desde entonces apodada Gaia-Encelado, debe haber chocado con la Vía Láctea hace unos 10.000 millones de años. Aproximadamente del tamaño de una de las Nubes de Magallanes (dos galaxias satélite aproximadamente diez veces más pequeñas que el tamaño actual de la Vía Láctea), Gaia-Encelado se estrelló y fue devorada gradualmente por la Vía Láctea, que en ese momento era solo cuatro veces más grande que Gaia-Encelado. La colisión, por lo tanto, debe haber sacudido profundamente la Vía Láctea. La violenta historia de la Vía Láctea, sin embargo, no terminó con Gaia-Encelado. En 2019, los astrónomos descubrieron en los datos de Gaia una pista sobre otra colisión con una galaxia más pequeña, desde entonces apodada Sequoia, que había golpeado el disco galáctico de la Vía Láctea poco después de Gaia-Encelado.


La misión Gaia de la ESA está examinando más de mil millones de estrellas en nuestro vecindario cósmico para trazar la historia y evolución de nuestra galaxia natal, la Vía Láctea. Este video destaca algunos de los descubrimientos de la misión basados ​​en los primeros 22 meses de exploración del cielo. ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO

2. Las estrellas se forman en la Vía Láctea debido a un choque galáctico

Gaia también ha permitido saber más sobre las interacciones con la galaxia enana de Sagitario, que ha estado orbitando alrededor del núcleo de la Vía Láctea durante miles de millones de años.

Descubierta en la década de 1990, Sagitario contiene solo unas pocas decenas de millones de estrellas (en comparación con los cientos de miles de millones de la Vía Láctea), lo que la hace 10 000 veces menos masiva que la Vía Láctea. A medida que la gravedad de la Vía Láctea acercó a Sagitario, la galaxia más pequeña comenzó a atravesar el disco de la Vía Láctea. Eso sucedió al menos tres veces en el pasado: hace unos cinco o seis mil millones de años, hace dos mil millones de años y hace mil millones de años. Con cada colisión, la Vía Láctea despojó a las estrellas de Sagitario, dejando a la galaxia enana cada vez más pequeña. Eventualmente, Sagitario será completamente devorada por la Vía Láctea. Sin embargo, la enana tiene un profundo efecto en su caníbal más grande.

El aspecto quizás más curioso de la interacción de Sagitario con la Vía Láctea fue descrito en un artículo publicado en la primavera de 2020. Un equipo de investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en Tenerife, España, descubrió que a raíz de cada choque de Sagitario a través del disco de la Vía Láctea, la formación de estrellas en la galaxia se aceleró. De hecho, uno de esos períodos coincidió aproximadamente con la formación del Sol y el Sistema Solar hace unos 4.700 millones de años.

Los investigadores creen que cada colisión causó ondas en el medio interestelar, como una roca arrojada al agua. Como resultado, la concentración de gas y polvo en algunas áreas de la Vía Láctea aumentó al nivel que desencadenó la formación de estrellas.

“Después de una época violenta inicial de formación estelar, en parte desencadenada por una fusión anterior, la Vía Láctea había alcanzado un estado equilibrado en el que las estrellas se estaban formando constantemente”, dice Tomás Ruiz-Lara, autor principal del estudio. “La galaxia estaba relativamente tranquila. De repente, Sagitario cayó e interrumpió el equilibrio, haciendo que todo el gas y el polvo previamente quietos dentro de la galaxia más grande se deslizaran como ondas en el agua”.



La investigación se basa en un estudio de 2019 realizado por un equipo de la Universidad de Barcelona, España, que calculó el verdadero tamaño y brillo de millones de estrellas observadas por Gaia. A partir de la información sobre el tamaño y el brillo, los astrónomos podrían deducir la edad de las estrellas individuales. El estudio concluyó que la formación de estrellas en la Vía Láctea había estado disminuyendo desde su formación hasta hace unos cinco mil millones de años, cuando de repente aumentó.

La mitad de la masa total de todas las estrellas en el delgado disco de la Vía Láctea, que contiene la mayoría de las estrellas de la Galaxia, se crearon durante este período.

Ahora parece que sin la caída de la relativamente pequeña galaxia enana de Sagitario, la Vía Láctea se habría visto muy diferente hoy y habría tenido muchas menos estrellas.

“Esta es realmente la primera vez que vemos una historia detallada de la formación estelar de la Vía Láctea”, dice el científico del proyecto de la misión Gaia de la ESA, Timo Prusti. “Es un testimonio del poder científico de Gaia que hemos visto manifestarse una y otra vez en innumerables estudios innovadores en un período de solo un par de años”.

3. Los brazos y el disco de la Vía Láctea están vivos

Antes de Gaia, los astrónomos estaban limitados en sus intentos de estudiar la estructura de la Vía Láctea. Sabían que la Vía Láctea era una llamada galaxia espiral, un disco de estrellas en forma de panqueque con un patrón de brazos espirales que giraban alrededor de un núcleo mucho más denso.

Los brazos espirales son áreas de gas densamente empaquetado y materia estelar que aparecen cuando se observan en otras galaxias, en tonos más azules que el resto del disco, lo que indica la temperatura más caliente de las estrellas dentro de ellos. Dado que las estrellas calientes son estrellas masivas y dado que las estrellas masivas son estrellas jóvenes, los astrónomos pueden decir que los brazos espirales son áreas donde se están formando las estrellas.

“Antes de Gaia, no sabíamos si había dos o cuatro brazos espirales en la Vía Láctea”, dice Sergey Khoperskov, astrofísico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania. “Ahora tenemos pruebas claras de que hay cuatro de ellos. Con Gaia, podemos medir la distancia a las estrellas y ver dónde están más densamente juntas, lo que es una indicación de un brazo espiral”.

La impresión de un artista de nuestra galaxia, la Vía Láctea, una "galaxia espiral barrada" de aproximadamente 13 mil millones de años que alberga unos cientos de miles de millones de estrellas.

A la izquierda, una vista frontal muestra la estructura espiral del Disco Galáctico, donde se encuentran la mayoría de las estrellas, intercaladas con una mezcla difusa de gas y polvo cósmico. El disco mide unos 100 000 años luz de diámetro, y el Sol se encuentra a medio camino entre su centro y su periferia.

A la derecha, una vista de canto revela la forma aplanada del disco. Las observaciones apuntan a una subestructura: un disco delgado de unos 700 años luz de altura incrustado en un disco grueso, de unos 3000 años luz de altura y poblado por estrellas más antiguas.

El borde a la vista también muestra la protuberancia galáctica, ubicada en la parte central de la Vía Láctea y que alberga alrededor de 10 mil millones de estrellas, que son principalmente viejas y rojas. El bulto, también visible en la vista frontal de la izquierda, tiene una forma alargada general que se asemeja a la de una barra con forma de maní, con una longitud media de unos 10 000 años luz, lo que convierte a la Vía Láctea en una espiral barrada. galaxia.

Más allá del disco y la protuberancia se encuentra el halo estelar, una estructura aproximadamente esférica con un radio de unos 100 000 años luz, que contiene estrellas aisladas y muchos cúmulos globulares, conglomerados grandes y compactos de algunas de las estrellas más antiguas de la galaxia. En una escala mayor, la Vía Láctea está incrustada en un halo aún más grande de materia oscura invisible.

Anatomía de la Vía Láctea – ESA

El Sol se encuentra en uno de los dos brazos más pequeños, llamado brazo de Orión, a unos 26 000 años luz del centro de la Vía Láctea, completando una rotación alrededor del centro en unos 230 millones de años. En un artículo publicado en enero de 2020, Sergey y sus colegas observaron los patrones en la densidad de estrellas en la Vía Láctea y los compararon con la información disponible anteriormente.

“Identificamos varias áreas de sobredensidades estelares y las comparamos con la ubicación previamente conocida de los brazos espirales de la Vía Láctea”, dice Sergey. “Creo que por primera vez en la literatura encontramos sobredensidades estelares a una escala tan grande, en la región de unos 10 a 13 mil años luz del Sol. Esta es la imagen más grande de los brazos espirales de la Vía Láctea basada directamente en la observación de estrellas”.

La naturaleza de la estructura espiral en galaxias como la Vía Láctea ha sido un tema de debate desde que sus primeros indicios fueron mapeados por Jan Oort utilizando observaciones de ondas de radio en la década de 1950. “Hay varias teorías para la formación de la estructura del brazo espiral”, dice Sergey. “Muchos astrónomos creen que los brazos espirales son estructuras de corta duración causadas por algún tipo de inestabilidad gravitacional y que desaparecen en un par de rotaciones y luego resurgen con algún patrón diferente”.

“Una vez que identifiquemos estrellas individuales en los brazos espirales, podremos entender el origen”, agrega Sergey. “Dado que conocemos la estructura, conocemos la posición, conocemos la distribución, podemos echar un vistazo a los patrones de composición química y podemos tratar de entender mejor toda esa información”.

Según el científico adjunto del proyecto Gaia de la ESA, Jos de Bruijne, los brazos espirales no contienen las mismas estrellas a lo largo de sus miles de millones de años de existencia. Describe los brazos espirales como atascos de tráfico, áreas donde las estrellas se concentran mientras esperan atravesar algún tipo de cuello de botella.

Las estrellas se están moviendo en la parte delantera, pero el atasco se mantiene porque las estrellas se acumulan en la parte posterior”, dice. “Todavía no sabemos exactamente por qué se forman estos atascos de tráfico y estoy convencido de que Gaia arrojará luz sobre esto”.

Además de estas estructuras principales, la investigación basada en los datos de Gaia ha revelado que todo el disco de la galaxia está vivo y se mueve en muchas formas y direcciones diferentes como resultado de las diversas fuerzas que actúan dentro de la galaxia. La Vía Láctea está constantemente perturbada por otros cuerpos, galaxias enanas y cúmulos estelares, que orbitan a su alrededor. Estas interacciones dejan huellas duraderas en la Vía Láctea, que se pueden observar a cientos de millones de años después. Por ejemplo, en 2018, un equipo de la Universidad de Barcelona encontró un grupo de millones de estrellas siguiendo una posición en forma de caracol y un patrón de movimiento en el disco de la Vía Láctea. Sus cálculos revelaron que esta ondulación probablemente fue el resultado de una de las colisiones pasadas con la galaxia enana de Sagitario.

Se cree que las colisiones periódicas con Sagitario han tenido un efecto profundo en cómo se mueven las estrellas en la Vía Láctea. Algunos incluso afirman que la estructura espiral característica de la Vía Láctea, 10 000 veces más masiva, podría ser el resultado de los choques con Sagitario.

4. La Vía Láctea despoja y atrapa estrellas de otras galaxias y cúmulos

La Vía Láctea también extrae constantemente estrellas de las galaxias enanas y los cúmulos estelares con los que interactúa. Basándose en los datos de Gaia, los astrónomos han identificado corrientes de estrellas arrancadas de estos cuerpos que con frecuencia se extienden a distancias de miles de años luz, cubriendo una gran parte del cielo sobre nuestras cabezas.

Los datos sobre tales corrientes pueden ayudar a los astrónomos a evaluar la fuerza gravitacional y, por lo tanto, la distribución de masa de la Vía Láctea, revelando cómo las galaxias adquieren estrellas.

Gaia también ha encontrado estrellas en el disco de la Vía Láctea que viajan a velocidades tan altas que podrían escapar de la atracción gravitacional de la galaxia o podrían haber sido expulsadas de otras galaxias y posteriormente capturadas por la Vía Láctea.

“De los siete millones de estrellas, Gaia ha identificado veinte que podrían estar viajando lo suficientemente rápido como para escaparse de la Vía Láctea”, explica Elena Maria Rossi, de la Universidad de Leiden, Países Bajos, una de las autoras de un estudio reciente. “Pero en lugar de alejarse del centro galáctico, la mayoría de las estrellas de alta velocidad que vimos parecen estar corriendo hacia él”.

Es posible que estos intrusos intergalácticos provengan de la Gran Nube de Magallanes, una galaxia relativamente pequeña que orbita alrededor de la Vía Láctea, o que se originen en una galaxia aún más lejana.

Las estrellas pueden acelerarse a altas velocidades cuando interactúan con un agujero negro supermasivo”, explica Elena. “La presencia de estas estrellas podría ser una señal de tales agujeros negros en las galaxias cercanas. Pero las estrellas también pueden haber sido parte de un sistema de estrellas dobles en otra galaxia, arrojadas hacia la Vía Láctea cuando su estrella compañera explotó como una supernova”.

Si estas estrellas proceden de otras galaxias, llevarían la huella de su lugar de origen. Podrían proporcionar una visión única de universos distantes que de otro modo serían mucho más difíciles de estudiar.

Los astrónomos, sin embargo, admiten que estas estrellas veloces podrían ser nativas del halo de nuestra galaxia, aceleradas y empujadas hacia adentro a través de interacciones con una de las galaxias enanas que cayó hacia la Vía Láctea durante su historia de su formación. Información adicional sobre la edad y composición de las estrellas podría ayudar a los astrónomos a aclarar su origen.

“Es probable que una estrella del halo de la Vía Láctea sea bastante antigua y esté compuesta principalmente de hidrógeno, mientras que las estrellas de otras galaxias podrían contener muchos elementos más pesados”, dice el coautor del estudio, Tommaso Marchetti. “Observar los colores de las estrellas nos dice más sobre de qué están hechas”.

Las posiciones y órbitas reconstruidas de 20 estrellas de alta velocidad, representadas en la parte superior de una vista artística de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Estas estrellas se identificaron utilizando datos del segundo lanzamiento de la misión Gaia de la ESA.

Las siete estrellas que se muestran en rojo se están alejando de la galaxia y podrían estar viajando lo suficientemente rápido como para escapar eventualmente de su gravedad. Sorprendentemente, el estudio reveló también trece estrellas, que se muestran en naranja, que corren hacia la Vía Láctea: podrían ser estrellas de otra galaxia, atravesando la nuestra.

ESA; Marchetti et al 2018; NASA/ESA/Hubble CC BY-SA 3.0 IGO

5. El Sol está surfeando una misteriosa ola de gas en la Vía Láctea

En 2019, tres científicos asociados con el Instituto Radcliffe de Estudios Avanzados de la Universidad de Harvard descubrieron que las nubes de gas interestelar en el vecindario galáctico del Sol forman una onda de 9000 años luz de largo que ondula unos 500 años luz por encima y por debajo del disco galáctico. La onda de 400 años luz de ancho es parte de lo que los astrónomos describen como el Brazo Local, un pequeño brazo espiral de la Vía Láctea cerca del Sol.

Antes del descubrimiento de 2019, se creía que tales nubes en el vecindario solar se concentraban en el llamado Cinturón de Gould, un anillo de estrellas jóvenes, gas y polvo que se arquea por encima y por debajo del plano galáctico.

“En cambio, lo que hemos observado es la estructura de gas coherente más grande que conocemos en la galaxia, organizada no en un anillo sino en un filamento masivo, ondulante, estrecho y recto”, dice João Alves, profesor de Astrofísica Estelar en la Universidad de Viena, becario Radcliffe 2018-2019 y uno de los tres científicos que descubrieron la estructura, ahora llamada Radcliffe Wave, en honor al Instituto Radcliffe.

El Sol se encuentra a solo 500 años luz de la ola más cercana y casi parece como si estuviera surfeando. De hecho, según los modelos existentes, el Sol cruzó la ola hace solo unos 13 millones de años y la cruzará una y otra vez en el futuro.

“La ola ha estado frente a nuestros ojos todo el tiempo, pero no pudimos verla hasta ahora”, agrega João.

Un equipo de astrónomos de las universidades de Viena y Harvard ha descubierto una estructura gaseosa con forma de onda. En honor a la base de operaciones de la colaboración, la estructura se llamó Radcliffe Wave. Esta estructura es la más grande jamás vista en nuestra galaxia y está formada por viveros estelares interconectados. Los datos precisos de Gaia jugaron un papel esencial en este descubrimiento: al mapear la materia interestelar en la Vía Láctea, el equipo notó este patrón inesperado en el brazo espiral cerca de la Tierra.

La estructura parece ser ondulada y puede ser bien descrita por una onda sinusoidal amortiguada en el plano de la Vía Láctea, con un período promedio de alrededor de 2 kpc y una amplitud máxima de alrededor de 160 pc. La estructura encontrada es larga y delgada, se extiende a unos 9000 años luz pero solo 400 años luz de ancho con una altura de unos 500 años luz por encima y por debajo del plano medio del disco de la galaxia. En el video a continuación, la ubicación y la forma de la estructura se pueden ver con más detalle.

Alyssa Goodman, profesora de Astronomía Aplicada y codirectora del Programa de Ciencias del Instituto Radcliffe de Estudios Avanzados, comenta: “Nos quedamos completamente impactados cuando nos dimos cuenta por primera vez de lo larga y recta que es la ola Radcliffe cuando la miramos desde arriba en 3D, sino también cuán sinusoidal es cuando se ve desde la Tierra. Su existencia nos obliga a repensar nuestra comprensión de la estructura 3D de la Vía Láctea”.

Los científicos no saben qué causó esta forma ondulante inesperada. Una colisión pasada con un cuerpo masivo, por ejemplo, una galaxia enana, podría ser una posible explicación, pero se necesitan más estudios y más datos de Gaia para obtener una buena comprensión.

En cualquier caso, los hallazgos desafían a los astrónomos a revisar las teorías sobre la distribución del gas en la vecindad del Sol.

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