En una fotografía, una galaxia lejana puede parecer una sola mancha de luz. Sin embargo, ampliar la imagen no equivale a ver toda su estructura. Parte de esa luz mezcla la de innumerables estrellas, entre ellas hay materia y una parte importante de la masa debe buscarse de otra manera.
Una galaxia es un gran sistema de estrellas y otra materia unido por la gravedad. Puede contener sistemas planetarios, restos estelares, gas y polvo; la materia oscura desempeña un papel importante en las explicaciones actuales de la estructura de la mayoría de las galaxias. Sus tamaños, cantidades de estrellas y formas varían: «miles de millones de estrellas en una bonita espiral» solo describe parte de esa diversidad. NASA: las galaxias y sus escalas.
Una mancha de luz puede contener innumerables estrellas separadas
El Sol es una estrella. La Tierra y los demás planetas pertenecen a su sistema planetario. La Vía Láctea es nuestra galaxia: el Sol es una de sus estrellas y el sistema solar ocupa solo una pequeña parte de su espacio. Cambiar de escala también cambia la pregunta: ¿qué reúne tantos objetos?
Las estrellas se mueven en un campo gravitatorio compartido. Lo produce el conjunto de la materia galáctica, no solo una estrella central. Muchas galaxias grandes tienen un agujero negro supermasivo en el centro, pero este no es el único «anclaje» de toda la galaxia. A grandes distancias hay que considerar la masa distribuida de estrellas, gas y otros componentes. Una galaxia no gira como un disco rígido: distintas estrellas siguen distintas órbitas. ESA/Hubble: masa propia y gravedad de una galaxia.
Entre las estrellas también hay material para la historia galáctica
El espacio entre las estrellas es muy poco denso, pero no está vacío. El medio interestelar contiene gas y pequeños granos sólidos llamados polvo. El gas puede ser atómico, molecular o ionizado. Las nubes frías y densas pueden formar estrellas, mientras que los vientos y las muertes estelares devuelven parte del material. Así, una galaxia recicla materia durante muchas generaciones estelares. OpenStax: el medio interestelar.
Una sola fotografía en luz visible muestra estos componentes de forma desigual. Las estrellas emiten radiación, parte del gas brilla y el polvo puede absorber y dispersar la luz de fondo, creando una franja oscura. El polvo calentado emite radiación infrarroja. Para el hidrógeno atómico neutro resulta útil, entre otras señales, una línea de radio de unos 21 centímetros. Son distintas maneras de detectar materia. OpenStax: gas, polvo.
Compara los cuatro paneles. Los tres primeros describen señales electromagnéticas; el último explica otro tipo de prueba.
Cuatro componentes, pruebas diferentes
Observaciones electromagnéticas
Estrellas
Radiación emitida por las estrellas; su luz puede mezclarse a gran distancia.
Observaciones electromagnéticas
Gas
Líneas espectrales: por ejemplo, radioemisión del hidrógeno neutro.
Observaciones electromagnéticas
Polvo
Absorción y dispersión de luz; emisión infrarroja de granos calentados.
Inferencia gravitatoria
Materia oscura
Movimientos de estrellas y gas, y lentes gravitatorias; no su propio brillo.
No es una receta universal con proporciones fijas. Un sistema con poco gas frío puede formar muchas menos estrellas nuevas que uno rico en gas. La ausencia de nubes de gas brillantes no hace que el sistema deje de ser una galaxia.
El movimiento revela masa que la luz no mostró
Las estrellas y el gas no solo emiten radiación: también se mueven. Midiendo velocidades y distancias, los astrónomos comprueban si la masa de la materia conocida basta para explicar el movimiento observado. En muchas galaxias, especialmente en las regiones exteriores, las estrellas y el gas detectado no bastan. La explicación habitual añade materia oscura, detectada mediante sus efectos gravitatorios, no por su propio brillo. Su naturaleza física sigue siendo desconocida. OpenStax: masa deducida del movimiento, NASA: materia oscura.
Una franja de polvo oscura y la materia oscura son cosas diferentes. En el polvo detectamos absorción, dispersión o radiación térmica. Cuando se dibuja el contorno de un halo oscuro alrededor de una galaxia, se representa un modelo de distribución de masa, no una fotografía de una envoltura luminosa. Otra forma de estudiar la gravedad es la distorsión de imágenes de fuentes lejanas, llamada lente gravitatoria; tampoco equivale al color de una mancha oscura.
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Qué cambia si la velocidad es el doble
Tomemos un pequeño cuerpo de prueba en órbita circular y una distribución de masa aproximadamente esférica que no cambie rápidamente. En el modelo newtoniano, la aceleración (v)^(2)/r es igual a la gravitatoria GM( < r)/(r)^(2). Por tanto:
M( < r) ≈ (r(v)^(2))/(G).
Aquí r es la distancia al centro en metros, v la velocidad en metros por segundo, G la constante gravitatoria en (m)^(3)/(kg (s)^(2)) y M( < r) la masa dentro de ese radio en kilogramos. No es automáticamente toda la masa de la galaxia.
Si dos sistemas esféricos hipotéticos tienen velocidades v y 2v al mismo radio, el segundo necesita cuatro veces más masa interior. Elevar al cuadrado el doble de la velocidad multiplica el valor por cuatro: el movimiento permite comprobar la masa sin limitarse a contar puntos luminosos.
Los discos reales no son esféricos, el movimiento no siempre es circular y las interacciones alteran el equilibrio. Se necesitan modelos más elaborados y estimaciones de incertidumbre; la fórmula ilustra un principio, no mide una galaxia a partir de una fotografía. OpenStax: supuestos de la estimación esférica.
La espiral es una posibilidad, no la definición
El conocido disco con brazos espirales no representa todas las galaxias. También hay sistemas elípticos y galaxias con estructura irregular. Las galaxias enanas pueden tener muchas menos estrellas que la Vía Láctea. Por eso la forma, el brillo o una cifra redonda de estrellas no son una prueba universal.
Tampoco hay que confundir niveles vecinos. Un cúmulo estelar es un grupo de estrellas, a menudo dentro de una galaxia; un cúmulo de galaxias es un sistema de muchas galaxias. La palabra «cúmulo» por sí sola no dice qué objetos contamos. NASA: de las galaxias a sus agrupaciones.
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Por qué no siempre es fácil distinguir una galaxia pequeña de un cúmulo
Una galaxia tenue con pocas estrellas y un cúmulo estelar pueden parecerse en una imagen débil. Para los casos fronterizos, los investigadores comparan movimientos estelares, masas estimadas, diferencias químicas e historias de formación.
En un trabajo de 2012, Willman y Strader propusieron un criterio físico de clasificación y analizaron sus indicadores y limitaciones. Es una propuesta para casos difíciles, no la única definición aprobada. Aquí basta la idea principal: una galaxia se reconoce como sistema físico, no por un número obligatorio de estrellas ni un dibujo. Original: los límites de la clasificación.
Imagina dos noticias: «en la imagen no se ven brazos espirales» y «esta región es oscura en luz visible». ¿Bastan para descartar una galaxia o la presencia de materia? No: la galaxia puede tener otra forma y la materia puede detectarse en otras longitudes de onda o mediante la gravedad. Hay que preguntar qué se midió exactamente y qué conclusión permite esa medición.
Una galaxia reúne estrellas y otra materia mediante la gravedad compartida; una fotografía revela solo parte de su historia. Si ves la franja de la Vía Láctea en un cielo oscuro, recuerda que miramos a lo largo del disco desde su interior. La siguiente pregunta es dónde está el Sol dentro de él. Para afianzar la diferencia entre una estrella y todo el sistema, lee «¿Qué es una estrella y de qué está hecha?».