Vida y muerte de una galaxia

Hay más en una galaxia de lo que parece. Las estrellas brillantes de las galaxias parecen girar en espiral serenamente contra el fondo oscuro del espacio. Pero una mirada más cuidadosa revela mucho caos.

"Las galaxias son como tú y como yo", dijo Jessica Werk, astrónoma de la Universidad de Washington en Seattle, en enero en una reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense. "Viven sus vidas en un constante estado de confusión".

Gran parte de esa confusión tiene lugar en un entorno enorme y complicado llamado medio circumgaláctico o CGM. Esta vasta y turbulenta nube de polvo y gas es la fuente de combustible de una galaxia, un vertedero de desechos y un centro de reciclaje, todo en uno . Los astrónomos piensan que las respuestas a algunos de los misterios galácticos más apremiantes (cómo las galaxias siguen formando nuevas estrellas durante miles de millones de años, por qué la formación estelar se detiene bruscamente) están ocultas en el CGM envolvente de una galaxia.

"Para comprender las galaxias, debes comprender el ecosistema en el que se encuentran", dice la astrónoma Molly Peeples del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial de Baltimore.

Sin embargo, esta atmósfera galáctica es tan difusa que es invisible: un litro de CGM contiene un solo átomo. Ha llevado casi 60 años y una actualización al Telescopio Espacial Hubble solo para comenzar a explorar CGM distantes y descubrir cómo su batido constante puede hacer o romper galaxias.

"Recientemente, hemos sido capaces de caracterizar realmente, de manera observacional, la relación entre este ciclo gaseoso y las propiedades de la galaxia en sí", dice Werk.

Armados con el primer censo extragaláctico, los astrónomos están reconstruyendo cómo un CGM controla la vida y la muerte de su galaxia. Y nuevos estudios teóricos sugieren que las estrellas de las galaxias se organizarían de forma muy diferente sin los flujos frenéticos de un medio. Además, las nuevas observaciones muestran que algunos CGM son sorprendentemente desiguales . Una mejor comprensión de los CGM, habilitada por los nuevos telescopios y las simulaciones por computadora, podría cambiar la forma en que los científicos piensan sobre todo, desde las colisiones de galaxias hasta los orígenes de nuestros propios átomos.

"El CGM es la parte del iceberg que está debajo del agua", dice el astrofísico Kevin Schawinski de ETH Zurich, que estudia las partes más convencionales de las galaxias. "Ahora tenemos buenas medidas en las que estamos seguros de que es importante".

Niebla frenética

Los investigadores usan una fuente brillante de luz de fondo, como un cuásar, para aprender sobre el medio circumgaláctico de una galaxia, una nube difusa de gas y metales (rosa en la ilustración) que rodea una galaxia. El gas se recicla entre la galaxia y el CGM.

Esperando el Hubble

Esa actualización del telescopio Hubble 2009, que hizo posible el censo de la CGM, casi no sucedió.

En una coincidencia cósmica, los principales campeones del telescopio Hubble fueron también los primeros astrónomos en descubrir cómo observar el CGM de una galaxia. Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton y John Bahcall del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, y otros astrónomos notaron algo extraño después del descubrimiento de quasares en 1963 ( SN Online: 21/3/14 ), faros brillantes ahora conocidos como blancos- discos calientes que rodean agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias distantes.

En todas partes donde los astrónomos miraban, los espectros de quasars, el arcoíris creado cuando su luz se extiende a lo largo de todas las longitudes de onda, estaban marcados con agujeros oscuros. Algunas longitudes de onda de luz no estaban llegando.

En 1969, Spitzer y Bahcall se dieron cuenta de lo que estaba sucediendo: la luz que faltaba era absorbida por el gas en los bordes de las galaxias, el mismo material que luego se llamaría CGM. Los astrónomos habían estado observando cuásares brillando a través de los CGM como faros a través de la niebla.

Sin embargo, no se podía hacer mucho más en ese momento. La atmósfera de la Tierra también absorbe la luz en esas mismas longitudes de onda, lo que hace difícil saber qué átomos bloqueadores de luz se encontraban en el MCG de una galaxia y cuáles vinieron de más cerca de casa. Saber que un CGM estaba allí era una cosa; tomar sus medidas requeriría algo extra.

Spitzer y Bahcall sabían lo que necesitaban: un telescopio espacial que pudiera observar desde fuera de la atmósfera de la Tierra. Los dos fueron dos de los campeones más vocales y consistentes del Telescopio Espacial Hubble, que se lanzó en 1990. Los colegas de Spitzer lo llamaron el " padre intelectual y político " de Hubble .

Bahcall nunca dejó de abogar por el Hubble. En febrero de 2005, seis meses antes de su muerte a los 70 años de un raro trastorno sanguíneo, coescribió un artículo en Los Angeles Times instando al Congreso a restaurar los fondos para una misión para reparar algunos viejos instrumentos de Hubble , que la NASA había cancelado después del Columbia 2003. desastre del transbordador espacial.

"Lo que está en juego no es solo una pieza de tecnología estelar, sino nuestro compromiso con la búsqueda humana más fundamental: comprender el cosmos", escribieron Bahcall y sus colegas. "Los descubrimientos más importantes de Hubble podrían ser en el futuro".

Su petición fue respondida: el transbordador espacial Atlantis trajo astronautas para reparar el Hubble por última vez en mayo de 2009 ( SN Online: 19/05/09 ). Durante la reparación, los astronautas instalaron el Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos , que podría captar gas CGM difuso con 30 veces la sensibilidad de cualquier instrumento anterior. A pesar de que los espectrógrafos anteriores sobre Hubble habían elegido unos cuantos haces de cuásares a la vez, el nuevo dispositivo permitía a los astrónomos buscar docenas de galaxias utilizando la luz de cuásares aún más débiles.

El censo circumgaláctico

Un equipo dirigido por Jason Tumlinson del Space Telescope Science Institute de Baltimore, el hogar académico del Hubble, hizo un catálogo de 44 galaxias con un cuásar sentado detrás de ellos desde la perspectiva de Hubble. En un artículo publicado en 2011 en Science , los investigadores informaron que cada vez que miraban dentro de 490,000 años luz de una galaxia, veían espectros moteados con manchas en blanco de los átomos que absorbían la luz . Eso significaba que los CGM no eran extraños mantos usados ​​por solo unas pocas galaxias. Estaban en todas partes.

El equipo de Tumlinson pasó los primeros años después de la actualización de Hubble como los naturalistas del siglo XIX describiendo nuevas especies. El grupo midió la masa y la composición química de los CGM de las galaxias y descubrió que eran enormes cisternas de elementos pesados. Los CGM contienen 10 millones de veces la masa del sol solo en oxígeno . En muchos casos, la masa de un CGM es comparable a la masa de toda la parte visible de su galaxia.

El descubrimiento ofrece una respuesta a un misterio cósmico de larga data: ¿cómo las galaxias tienen suficiente combustible formador de estrellas para seguir durante miles de millones de años? Las galaxias forman estrellas a partir del colapso de las nubes de gas frío a un ritmo constante; la Vía Láctea, por ejemplo, produce una o dos masas solares en estrellas cada año. Pero no hay suficiente gas frío dentro de la parte visible de una galaxia, el disco que contiene sus estrellas, para soportar las tasas observadas de formación de estrellas.

"Creemos que el gas probablemente proviene del CGM", dice Werk. "Pero exactamente cómo ese gas entra en las galaxias, dónde entra, la escala de tiempo en la que entra, ¿hay cosas que impidan que entre? Esas son grandes preguntas que nos mantienen despiertos por la noche ".

Werk y Peeples se dieron cuenta de que toda esa masa podría ayudar a resolver otros dos problemas de contabilidad cósmica. Todos los elementos más pesados ​​que el helio (que los astrónomos juntan como "metales") se forjan mediante la fusión nuclear en los corazones de las estrellas. Cuando las estrellas consumen su combustible y explotan como supernovas, dispersan esos metales para ser plegados en la próxima generación de estrellas.

Pero si suma todos los metales en las estrellas, el gas y el polvo en el disco de una galaxia determinada, no es suficiente para dar cuenta de todos los metales que la galaxia ha fabricado. La falta de correspondencia empeora aún más si se incluye el hidrógeno, el helio, los electrones y los protones, básicamente toda la materia común que debería haberse acumulado en la galaxia desde el Big Bang. Los astrónomos llaman a todos esos bits bariones. Las galaxias parecen estar perdiendo del 70 al 95 por ciento de esas cosas.

Así que Peeples y Werk llevaron a cabo un esfuerzo exhaustivo para contar toda la materia común en aproximadamente 40 galaxias observadas con el nuevo espectrómetro del Hubble . Los investigadores publicaron los resultados en dos artículos de 2014 en el Astrophysical Journal.

En ese momento, Werk informó que al menos la mitad de la materia ordinaria que falta en las galaxias se puede explicar en sus MCG. En una actualización de 2017, Werk y sus colegas encontraron que la masa de bariones solo en forma de gas frío en el CGM de una galaxia podría ser de casi 90 mil millones de masas solares. "Obviamente, esta masa podría resolver el problema galáctico de los bariones desaparecidos", escribió el equipo.

"Es una historia de ciencia clásica", dice Schawinski. Los investigadores tenían una hipótesis sobre dónde debería estar el material faltante y realizaron predicciones. El grupo hizo observaciones para probar esas predicciones y encontró lo que buscaba.

En otro estudio, Peeples demostró que, aunque los metales nacen en los discos estrellados de las galaxias, esos metales no permanecen allí. Solo del 20 al 25 por ciento de los metales que una galaxia ha producido permanecen en las estrellas, el gas y el polvo en el disco, donde los metales se pueden incorporar a las nuevas estrellas y planetas. El resto probablemente termine en el CGM.

"Si miras todos los metales que las galaxias alguna vez produjeron en toda su vida, muchos de ellos están fuera de la galaxia que todavía están dentro de la galaxia", dice Tumlinson, "lo cual fue una gran sorpresa".

Centros de reciclaje

Entonces, ¿cómo entraron los metales en el CGM? El espectro de Quasars no pudo ayudar con esa pregunta. Su luz solo muestra un corte a través de una sola galaxia en un solo momento en el tiempo. Pero los astrónomos pueden rastrear el crecimiento y desarrollo de las galaxias con simulaciones por computadora basadas en reglas físicas sobre cómo se comportan las estrellas y el gas.

Esta estrategia reveló la naturaleza agitada y en constante cambio del gas en los CGM de las galaxias. Simulaciones como EAGLE, o Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments , que se ejecuta en la Universidad de Leiden en los Países Bajos, mostraron que los metales pueden alcanzar los CGM a través de vidas violentas de estrellas: en poderosos vientos de radiación que vuelan lejos de estrellas jóvenes masivas. y en la agonía de las supernovas rociando metales a lo largo y ancho.

Una vez que los metales están en el CGM, no siempre se quedan. En simulaciones, las galaxias parecen usar el mismo gas una y otra vez.

"Es básicamente la gravedad", dice Peeples. "Lanza una pelota de béisbol, y volverá al suelo". Lo mismo ocurre con el gas que sale de las galaxias: a menos que el gas viaje lo suficientemente rápido como para escapar de la gravedad de la galaxia, esos átomos caerán de nuevo en el disco. y formar nuevas estrellas.

Algunas simulaciones muestran paquetes de gas discretos que hacen que el viaje desde el disco de una galaxia salga al CGM y viceversa varias veces. Juntos, los CGM y sus galaxias son dispositivos de reciclaje gigantes.

Eso significa que los átomos que componen los planetas, las plantas y las personas pueden haber realizado varios viajes al espacio circumgaláctico antes de convertirse en parte de nosotros. Durante cientos de millones de años, los átomos que finalmente se convirtieron en parte de ti viajaron cientos de miles de años luz.

"Esta es mi cosa favorita", dice Tumlinson. "En algún punto, tu carbono, tu oxígeno, tu nitrógeno, tu hierro estaba en el espacio intergaláctico".

Cómo mueren las galaxias

Pero no todas las galaxias recuperan su gas CGM. Perder el gas podría cerrar la formación de estrellas en una galaxia para siempre. Nadie sabe cómo se cierra la formación estelar o la apaga. Pero la respuesta probablemente esté en el CGM.

Las galaxias se presentan en dos formas principales : galaxias espirales jóvenes que crean estrellas y galaxias viejas y destartaladas donde se apaga la formación estelar ( SN Online: 23/04/18 ).

"Cómo sacian las galaxias y por qué permanecen así es una de las cuestiones más importantes en la formación de galaxias en general", dice Tumlinson. "Simplemente tiene que tener algo que ver con el suministro de gas".

Leyendo lo que no hay

Usando luz de un cuásar (QSO), los investigadores pueden "ver" los CGM. En este ejemplo, los espectros de dos galaxias, G1 y G2, tienen ciertas longitudes de onda faltantes (rojo, en recuadros de abajo) donde los átomos de CGM absorben luz.

Una posibilidad, sugerida en un documento publicado en línea el 20 de febrero en arXiv.org, es que los aerosoles de gas calentado con supernova podrían ser eliminados de las galaxias . El físico Chad Bustard de la Universidad de Wisconsin-Madison y sus colegas simularon la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea, y descubrieron que el gas que fluía de la pequeña galaxia era arrastrado por la leve presión del movimiento de la galaxia alrededor de la Vía Láctea.

Alternativamente, el gas CGM de una galaxia muerta podría estar demasiado caliente como para hundirse en la galaxia y formar estrellas. Si es así, las galaxias formadoras de estrellas deberían tener CGM llenos de gas frío, y las galaxias muertas deberían estar envueltas en gas caliente. El gas caliente permanecería flotando sobre el disco galáctico como un globo de aire caliente, demasiado flotante para hundirse y formar estrellas.

Pero Hubble vio lo opuesto. Las galaxias formadoras de estrellas tenían CGM llenos de oxígeno-VI, lo que significa que el gas estaba tan caliente (un millón de grados Celsius o más) que los átomos de oxígeno perdieron cinco de sus electrones originales. Las galaxias muertas tenían sorprendentemente poco oxígeno-VI.

"Eso fue desconcertante", dice Tumlinson. "Si la teoría nos dijera algo, debería haber ido hacia el otro lado".

En 2016, Benjamin Oppenheimer, un astrofísico computacional de la Universidad de Colorado en Boulder, sugirió una solución: a las galaxias "muertas" no les faltaba oxígeno en absoluto. El gas estaba demasiado caliente para que el Hubble lo observara. "De hecho, hay aún más oxígeno alrededor de esas galaxias pasivas", dice Oppenheimer.

Todo ese gas caliente podría explicar por qué esas galaxias murieron, excepto que estas galaxias también estaban llenas de gas frío formador de estrellas.

"Las galaxias muertas tienen mucho combustible en el tanque", dice Tumlinson. "No sabemos por qué no lo están usando. Todos persiguen ese problema ".

Agarrando al elefante

La persecución llega en un buen momento. Hasta hace poco, los observadores no tenían forma de mapear el CGM de una sola galaxia. Los investigadores han tenido que sumar docenas de rayos quasar para comprender la composición de los CGM en promedio.

"Hemos sido como las tres personas ciegas que agarran al elefante", dice John O'Meara, un astrónomo de observación en Saint Michael's College en Colchester, Vt.

Los equipos que utilizan dos nuevos espectrógrafos - KCWI, el Keck Cosmic Web Imager en el telescopio Keck en Hawaii y MUSE, el Explorador espectroscópico de unidades múltiples en el Very Large Telescope en Chile - están en una carrera para cambiar eso. Estos instrumentos, llamados espectrógrafos de campo integrales, pueden leer los espectros a través de una galaxia completa, todo a la vez. Con suficiente luz de fondo, los astrónomos ahora pueden examinar el CGM completo de una sola galaxia. Finalmente, los astrónomos tienen una manera de probar las teorías de cómo el gas circula dentro y fuera de una galaxia.

Un equipo chileno, dirigido por el astrónomo Sebastián López de la Universidad de Chile en Santiago y sus colegas, utilizó MUSE para observar una pequeña galaxia débil que se encuentra entre una galaxia distante y brillante y un cúmulo galáctico masivo más cerca de la Tierra. El cúmulo actúa como una lente gravitacional , distorsionando la imagen de la galaxia distante en un arco brillante largo ( SN: 3/10/12, p.4 ). La luz de ese arco se filtró a través del CGM de la galaxia intercalada, que el equipo llamó G1, en 56 puntos diferentes.

Sorprendentemente, el CGM de G1 fue abultado, no liso como se esperaba , informó el equipo en Nature el 22 de febrero . "La suposición es que ese gas se distribuye homogéneamente en todos los sistemas", dice López. "Este no es el caso."

MUSE hace una marca

La luz de una galaxia fuente es desviada y magnificada por un cúmulo de galaxias intermedias para formar el arco brillante que se ve en la imagen proyectada en el extremo derecho. A diferencia del estrecho haz de luz de un quasar, el extenso arco ilumina una gran área de galaxia G1's CGM, mostrando que es sorprendentemente abultada. 

O'Meara lidera un grupo que está en el camino de López. El año pasado, mientras se estaba instalando KCWI, O'Meara tuvo una hora de observación y pudo ver el hidrógeno, que está asociado con un gas frío que forma estrellas, en el CGM de otra galaxia iluminado por un arco con lente brillante. Todavía no está listo para discutir los resultados en detalle, pero el equipo está enviando un documento a Science.

Las simulaciones de computadora de FOGGIE mejoran la resolución de CGM. En estas representaciones de la misma galaxia, la parte inferior muestra a FOGGIE trabajando. La forma y el tamaño de la galaxia cambian drásticamente.

Mientras tanto, el equipo de Peeples está revisando cómo las computadoras rinden CGM. "La resolución del medio circungaláctico en simulaciones es, hum, mala", dice ella. Las simulaciones existentes son buenas para igualar las propiedades visibles de las galaxias: sus estrellas, el gas entre las estrellas y las formas y tamaños generales. Pero "fracasan por completo en la reproducción de las propiedades del medio circungaláctico", dice ella.

Así que está ejecutando un nuevo conjunto de simulaciones llamado FOGGIE , que se centran en los CGM por primera vez. "Estamos descubriendo que lo cambia todo", dice ella: la forma, la historia de formación de estrellas e incluso la orientación de la galaxia en el espacio son diferentes.

Juntas, las nuevas observaciones y simulaciones sugieren que la función del CGM en el ciclo de vida de una galaxia ha sido subestimada. Teóricos como Peeples y observadores como O'Meara están trabajando juntos para hacer nuevas predicciones sobre cómo debería verse el CGM. Luego, los investigadores verifican las galaxias reales para ver si coinciden.

"Molly publicará un nuevo render realmente sorprendente de una simulación en Slack, e iré, 'Holy crap, que se ve raro'. "O'Meara dice. "Voy a salir corriendo para encontrar un ejemplo similar en los datos, y nos metemos en este ciclo de retroalimentación positiva de ir '¡Santa mierda! ¡Santo cielo!' "

Si bien los futuros estudios circungalácticos se centrarán en la recopilación de espectros de CGM completos, Tumlinson espera extraer más información del Hubble mientras todavía pueda. Hubble hizo posibles los estudios de MCG, pero el telescopio tiene 28 años y probablemente le falte menos de una década. El espectrógrafo de Hubble sigue siendo el mejor en la observación de ciertos átomos en los CGM para ayudar a revelar los secretos de los halos gaseosos. "Es algo que definitivamente queremos hacer", dice, "antes de que Hubble termine en el océano".