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Formación de las Galaxias: Cómo nacieron y de qué están hechas

Entender el proceso de formación de las galaxias ha sido uno de los puntos de investigación más importantes de la astronomía desde sus inicios. Han sido muchos los investigadores que han dedicado toda su carrera a este punto específico.

Como te debes estar imaginando, se han teorizado una cantidad de escenarios sobre la formación de galaxias y estrellas, pero solo recientemente los científicos han comenzado a ponerse de acuerdo sobre algunos hechos comprobables.

Los avances de los últimos años, logrados por los teóricos del Big Bang, han logrado dar nuevas luces sobre cómo, cuándo y por qué se originó la formación las primeras galaxias de nuestro universo.

En definitiva, conocer el origen de nuestra galaxia (la que podemos observar más fácilmente), es un punto indispensable para comenzar a comprender la dinámica universal, que tantas opiniones encontradas ha generado a lo largo de nuestra historia.

Si este tema te parece interesante, seguramente disfrutarás nuestro artículo sobre el origen del universo y la teoría del Big Bang.

Formación de las galaxias

Formación de las galaxias

¿Cuándo fue la formación de las primeras galaxias?

Primero que todo, es importante entender que a pesar de su descomunal tamaño, cuando las comparamos a escala con la talla conocida del universo, las galaxias son un punto diminuto.

Lo que quiere decir que el universo contiene cientos de miles de galaxias, a la vez que cada galaxia contiene cientos de millones de estrellas, con sus respectivos sistemas (como el nuestro).

Solo hasta hace unos años se ha comenzado a armar una teoría -comúnmente aceptada- sobre el proceso de formación de las primeras galaxias, y esto ha ocurrido gracias a los avances en la teoría del Big Bang, ya que se ha podido determinar en qué era de la evolución del universo comenzaron a nacer las primeras galaxias.

Se estima que el origen de las galaxias fue más temprano de lo que se creía inicialmente, y comenzó en la última fase conocida del Big Bang, solo unos 600.000 años luego de la primera singularidad espacio-temporal.

En ese punto del tiempo, el universo aún era muy homogéneo, con una distribución de la materia similar en cada punto del espacio. 

En embargo, las nubes cósmicas (materia) comenzaron a atraerse entre sí debido a la expansión de los campos gravitatorios, formando cúmulos de materia concentrada en en el espacio.

De esta forma el universo se convirtió en un espacio heterogéneo, con una distribución desigual de la densidad de la materia.

¡La Galaxia observable más antigua!

A pesar de que se ha determinado que la mayoría de las galaxias se formaron durante un paréntesis de tiempo relativamente corto (unos 800 millones de años), se han observado algunas más antiguas y otros más jóvenes.

La observaciones del Hubble y otros supertelescopios han permitido identificar a la más galaxia más antigua hasta el momento.

En 2009 fue identificada y bautizada como UDFy-38135539, la galaxia más antigua jamás observada por telescopios terrestres.

El rastro de fotones observable de este cúmulo que -se cree- alberga a más de 1.000 millones de estrellas, posee 13.100 millones de años de edad. Lo que significa que se formó solo 500 millones de años después del Big Bang, justo después de que se crearan las primeras partículas atómicas.

¿Cómo se forman las galaxias?

La formación de las galaxias ha sido un misterio durante siglos para la humanidad – y durante décadas para los científicos modernos-. De hecho, aún existe cierto desacuerdo sobre la forma exacta en que comenzó el nacimiento de las primeras galaxias.

Lo cierto es que se ha llegado a un consenso al determinar que las galaxias fueron creadas a partir de los cúmulos de gases de nubes cósmicas, tan pronto el universo comenzó a enfriarse luego del Big Bang.

Sin embargo, a pesar de que la mayoría de las galaxias conocidas se formaron -más o menos- al mismo tiempo, no son estáticas. 

Todos los cuerpos cósmicos evolucionan con el paso del tiempo; mutan y se mueven, y esa dinámica se ha convertido en un campo de debate interesante para la astronomía.

Además, estas teorías explicarían también qué condiciones y qué parte del proceso de formación define los tipos de galaxia que se forman en cada singularidad.

En resumidas cuentas, existen principalmente dos teorías aceptadas que podrían explicar la formación de galaxias y estrellas. 

Modelo #1 – Los cúmulos galácticos

La teoría más ampliamente aceptada por la comunidad científica.

Supone que la formación de galaxias y los cuerpos que contienen, fueron el resultado directo del colapso de los cúmulos de masa cósmica, atraídas entre sí como consecuencia de las fluctuaciones primordiales de densidad en masa en el universo.

Estos cambios en la distribución de la densidad provocaron que la materia existente en esa etapa: acumulaciones de gases cósmicos, fueran atraídas entre sí hasta formar Supercúmulos de masa en regiones particulares del universo.

Las diferentes concentraciones de materia dentro de cada área de cúmulo, dio paso a la formación de cuerpos más complejos (y más compactos) que se organizan jerárquicamente en: cúmulos galácticos, galaxias, cúmulos estelares y estrellas.

Este modelo explicaría a la perfección el porqué de la distribución de las galaxias en cúmulos concentrados y no simplemente repartidas en todo el espacio del universo conocido de forma “regular”.

Modelo #2 – Las protogalaxias

Las protogalaxias o “galaxias primitivas”, como también se les conoce, corresponden a las primeras formaciones de materia cósmica luego del periodo del enfriamiento del Big Bang.

Algunas teorías sobre el origen de las galaxias supone que los cúmulos de galaxias observables en la actualidad se crearon como consecuencia del colapso de protogalaxias masivas unos 500 millones de años luego del Big Bang.

Sin embargo, esta teoría ha sufrido algunos reversos recientemente, ya que observaciones modernas han identificado galaxias realmente antiguas (formadas solamente 500 millones de años luego del Big Bang), lo que dejaría un margen de tiempo muy corto para que fuera posible la formación y colapso de las protogalaxias.

¿Qué tipos de galaxias existen?

El motivo que define qué tipo de galaxia se forma sigue siendo un misterio y seguramente permanecerá así hasta que logremos descifrar por completo el origen de las galaxias

Lo cierto es que las investigaciones y observaciones logradas desde la segunda mitad del siglo XX, gracias a poderosos supertelescopios nos han permitido identificar los diferentes tipos de galaxias que existen (o al menos que nosotros conocemos hasta el momento).

Galaxias Espirales

formación de galaxias

Las galaxias espirales, como la nuestra (la vía láctea) son las más comunes, y también las más conocidas. De hecho, su forma corresponde a la gráfica que una galaxia que podemos ver comúnmente en todos lados.

Se cree que la formación de los tipos de galaxias espirales correspondió al colapso de las formaciones gaseosas de forma abrupta y no gradual.

En la primera etapa de su nacimiento se aglomera un cúmulo de materia super denso, que corresponde al núcleo de la galaxia, generalmente formado por una concentración de estrellas viejas, en torno a cuyo campo gravitacional gira el resto de la masa galactica.

Posteriormente se formarían los discos, que están constituido por estrellas menos densas, planetas, asteroides y cuerpos de nubes cósmicas. 

También se cree que parte de la materia que compone el halo galáctico está formado por los restos de “galaxias enanas” que orbitan a una galaxia superior y colapsan, fusionándose en el cuerpo de la más grande.

Esta teoría surge a raíz del descubrimiento de una pequeña galaxia que orbita en torno a nuestra vía láctea y que podría estar siendo lentamente “devorada” por la nuestra, hasta incorporar completamente.

Las galaxias espirales se caracterizan por:

  • Poseen un disco de formación con extensión plana
  • Sus “brazos” están formados principalmente por polvo interestelar y estrellas jóvenes
  • Su núcleo o bulbo está formado por grandes grupos de estrellas antiguas de baja metalicidad.
  • Se piensa que la mayoría de las galaxias espirales contienen un agujero negro en el centro del bulbo.

Las galaxias elípticas 

galaxia elíptica

Las observaciones recientes del Hubble, sugieren que la mayoría de las galaxias elípticas se han formado a partir de la colisión y fusión masiva de múltiples galaxias, variando enormemente en tamaño, constitución y brillosidad entre sí.

A pesar de eso, se ha observado que las galaxias elípticas gigantes (las más grandes en el universo observable hasta ahora), están compuestas en su mayoría por estrellas antiguas con baja concentración de metalicidad.

En algunas de estas galaxias, sin embargo, se han podido observar estrellas más jóvenes y pequeñas, pero esto podría ser producto de la colisión con otras galaxias. 

Otra característica física muy común de este tipo de galaxia es la baja acumulación gases cósmicos, probablemente agotados por la formación de nuevas estrellas y planetas.

Existen dos tipos de galaxias elípticas según la distribución de su masa en el espacio:

Las galaxias elípticas cuadradas, que generalmente corresponden a las galaxias masivas.

Estas muestran un movimiento errático entre sus grupos de estrellas, sin ningún patrón definido entre sí.

Las galaxias cuadradas tampoco parecen mostrar mayor concentración de luz en su núcleo, como ocurre con otros tipos de galaxia, como las espirales.

El segundo grupo corresponde a las galaxias elípticas discoidales, que muestran tener una disposición más organizada y se mueven a velocidades mucho mayores a través del espacio.

Estas galaxias están compuestas por estrellas más jóvenes y pequeñas. Además, muestran niveles de luminosidad muy superior en su núcleo, pero no demasiado.

¿De qué están formadas las estrellas?

La formación de estrellas no solamente se refiere al origen de las estrellas. Investigadores de la astronomía y astrofísica también han discutido ampliamente sobre la composición de las estrellas.

Es decir, ¿De qué están compuestas las estrellas?

Las estrellas están formadas principalmente por gases como Hidrógeno y Helio, y en menor medida por otros elementos como oxígeno, nitrógeno, litio, hierro y carbono.

Las estrellas están formadas por diversos componentes químicos, cuya variedad y concentración varía fuertemente de una estrella a otra, es por eso que existen diferentes tipos de estrellas: Supergigantes, gigantes, subgigantes, enanas, enanas blancas, etc.

La distribución de la composición de las estrellas varía de acuerdo a su edad, lo que a su vez hace variar su tamaño, color, luminosidad y clasificación en nuestra escala.

La primera tesis sobre la composición de los cuerpos celestes del espacio fue propuesta a principios del siglo XX por Cecilia Payne-Gaposchkin.

La composición de las estrellas según Cecilia Payne-Gaposchkin

Resulta impresionante pensar en la exactitud de las conclusiones propuestas en la tesis doctoral de Cecilia Payne, si consideramos las herramientas de investigación disponibles en el año 1925.

Como dato curioso, Cecilia fue la primera persona (hombre o mujer) en obtener el título de doctorado en Astrofísica en la Universidad de Harvard. 

En su tesis sugería que las estrellas están conformadas mayormente de hidrógeno, un descubrimiento que en el momento fue revolucionario para la comunidad de astrónomos a nivel mundial.

Su estudio funcionó como piedra angular para que posteriores investigadores complementaran la tesis, descubriendo nuevos elementos en la composición estelar.

¿Qué pasa cuando a una estrella se le agota el hidrógeno?

Las estrellas, como todo en el universo, no son eternas aunque lo parezcan. 

Se cree que la edad promedio de una estrella como nuestro sol ronda los 10.000 millones de años. Actualmente nuestro sol ha consumido, más o menos, la mitad de su vida útil, por lo que algunos teóricos estiman que le quedan entre 5.000 y 7.000 millones de años antes de colapsar.

Ya que su energía y luminosidad surgen de las fusiones nucleares entre los núcleos de hidrógeno para formar partículas de helio, su vida útil es limitada y depende de la carga de hidrógeno en su composición, es decir, de su combustible.

Cuando la concentración de hidrógeno baja demasiado en una estrella, las fusiones en su superficie dejan de suceder, evitando que se libere la energía concentrada.

El exceso de presión ocasionado por las partículas de hidrógeno sin liberar causan un aumento en la masa de la estrella, convirtiéndola en una gigante roja. 

Cuando finalmente se agotan los procesos de fusión en la superficie, la presión sobre el núcleo de la estrella se vuelve excesivo, haciendo que se contraiga hasta implosionar debido a compresión de su masa, luego de eso comenzará un proceso de enfriamiento que durará otro par de miles de años, hasta convertirse en una enana blanca, una estrella muerta.

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