Cómo se formaron las galaxias: espirales de gas frío

Simulaciones por ordenador del crecimiento de galaxias durante miles de millones de años han revelado un escenario probable de cómo se alimentan: una versión cósmica de un retorcido torbellino.

Los resultados muestran que el gas frío -combustible para las estrellas – se aglutina en espirales en los núcleos de las galaxias a lo largo de filamentos, rápidamente, dirigiéndose después a las “entrañas”. Una vez allí, el gas se convierte en nuevas estrellas y las galaxias aumentan su masa.

“La formación de galaxias es algo realmente caótico”, dijo Kyle Stewart, autor principal del nuevo estudio que aparece en la edición de mayo de Astrophysical Journal . ”Utlizamos varios cientos de procesadores de ordenador, y un mes de tiempo, simular y aprender más acerca de cómo funciona este proceso.” Stewart, que ahora está en la Universidad Bautista de California en Riverside,  completó la mayor parte de este trabajo, mientras trabajaba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California

En los inicios del universo, las galaxias se formaron a partir de cúmulos de materia, conectados por filamentos en una red cósmica gigante. Dentro de las galaxias, nubes de gas enfriado y condensado, llegaron a ser lo suficientemente densas como para provocar el nacimiento de estrellas. Nuestra galaxia espiral la Vía Láctea y sus miles de millones de estrellas se formaron de esta manera.

El modelo anterior de formación de galaxias sostenía que el gas caliente se hundió en los centros de galaxias crecientes desde todas las direcciones. Se pensaba que las nubes de gas, al chocar entre sí, generaban el envío de ondas de choque, que a continuación calentaban el gas. El proceso es similar a las explosiones sónicas de aviones de explosiones, sólo que en el caso de las galaxias, el gas que cae viaja más rápido que la velocidad del sonido, acumulándose en ondas. Finalmente, el gas se enfría y cae en el centro de la galaxia. Este proceso, se teoriza, debía ser lento, teniendo un máximo de 8 millones de años.

La investigación reciente ha contradicho este escenario en galaxias más pequeñas, que muestran que el gas no se calienta. Se propone un “modo frío” alternativo de formación de galaxias en su lugar, lo que sugiere que el gas frío puede canalizarse a lo largo de los filamentos en los centros de galaxias. Stewart y sus colegas se propusieron poner a prueba esta teoría y resolver los misterios de cómo se obtiene el gas frío en las galaxias, así como la velocidad a la que se mueve en espiral.

Asumiendo que llevaría miles de millones de años ver crecer una galaxia, el equipo simuló el proceso mediante el uso de superordenadores en el JPL, el Centro de Investigación Ames de la NASA en Moffett Field, California, y la Universidad de California, en Irvine. Esto suponía cuatro simulaciones diferentes de la formación de una galaxia como la Vía Láctea; desde sólo 57 millones de años después del Big Bang, hasta nuestros días.

Las simulaciones se iniciaron con los ingredientes de partida de las galaxias (hidrógeno, helio y materia oscura) y luego se dejaba que las leyes de la física se encargaran de crear sus obras maestras galácticas. Los superordenadores son necesarios debido al enorme número de interacciones.

“Las simulaciones son como un gigantesco juego de ajedrez”, dijo Alyson Brooks, co-autora del estudio y experta en simulaciones de galaxias en la Universidad de Wisconsin, Madison. “Por cada punto en el tiempo, tenemos que encontrar la manera de que una partícula dada -nuestra pieza de ajedrez-, pueda moverse sobre la base de las posiciones de todas las otras partículas. Hay decenas de millones de partículas en la simulación, por lo que averiguar cómo las fuerzas gravitacionales afectan a cada partícula lleva mucho tiempo “.

Cuando las mezclas de las galaxias estuvieron listas, los investigadores inspeccionaron los datos, a la búsqueda de nuevas pistas sobre cómo el gas frío caía a los centros de galaxias. Los nuevos resultados confirman un flujo de gas frío a lo largo de los filamentos y muestran, por primera vez, que el gas está girando mucho más rápido de lo que se creía anteriormente. Las simulaciones también revelaron que el gas se está abriendo camino a los centros de las galaxias más rápidamente que lo que ocurre en el “modo caliente” de la formación de galaxias, cerca de 1 millones de años.

“Hemos encontrado que las estructuras filamentosas que las galaxias se construyen son fundamentales para la forma en que se acumulan con el tiempo, enroscando gas en torno a ellos de forma eficiente”, dijo Leonidas Moustakas,  co-autor del trabajo y miembro del JPL.

Los investigadores analizaron la materia oscura también -una sustancia invisible que representa aproximadamente el 85 por ciento de la materia del universo. Las galaxias se forman a partir de trozos de materia normal, la llamada materia bariónica que se compone de átomos y materia oscura. Las simulaciones muestran que la materia oscura está girando a un ritmo más rápido a lo largo de los filamentos en espiral en los centros de galaxias.

Los resultados ayudan a responder al acertijo en astronomía sobre galaxias con grandes discos extendidos de material girando alrededor de ellos, lejos de sus centros. Los investigadores no entendían cómo el material exterior podría estar girando tan rápido. El modelo frío permite esta rotación rápida, encajando otra pieza  en el rompecabezas de cómo crecen las galaxias.

“El objetivo de la simulación de galaxias es compararlo a lo que los telescopios observan y ver si realmente entendemos cómo se construye una galaxia”, dijo Stewart. ”Nos ayuda y tiene un sentido del universo real.”

Otros autores del artículo son: James Bullock, de la Universidad de California, en Irvine; Ariyeh Maller de la New York City College of Technology, Brooklyn, NY, Jürg Diemand de la Universidad de Zurich, Suiza, y James Wadsley de la Universidad McMaster, Hamilton, Ontario, Canadá. El JPL es administrado por el Instituto de Tecnología de California en Pasadena para la NASA.

Enlace original: Cosmic swirly straws: Galaxies fed by funnels of fuel