De galaxias azules y jóvenes a galaxias rojas y muertas

Los astrónomos somos a veces muy sencillos a la hora de clasificar lo que vemos del Universo. Por ejemplo, la composición química de las estrellas y de las galaxias se puede modelar muy bien simplemente definiendo la cantidad de hidrógeno, la cantidad de helio, y la cantidad de "metales", donde dentro de "metales" entra cualquier cosa entre el litio y el uranio (por poner un elemento pesado). Igualmente clasificamos las galaxias en dos grandes grupos: espirales y elípticas. Y si una galaxia no cuadra en ninguna de las dos categorías, decimos que es irregular. Atendiendo al color que presenta una galaxia las cosas son aún más fáciles: o la galaxia tiene estrellas jóvenes y por lo tanto un característico color azulado, o está dominada por estrellas viejas, siendo así de color rojo. Esta dicotomía entre galaxias azules y rojas ha dado siempre mucho que hablar a los astrofísicos, particularmente en los últimos tiempos, donde los grandes sondeos de galaxias como Sloan Digital Sky Survey (SDSS) o Galaxy and Mass Assembly (GAMA) permiten analizar cientos de miles de galaxias y dividirlas en estas dos categorías. La mayoría de las galaxias parece que se encuentran localizadas en la llamada "secuencia roja", aunque muchas otras se hallan en la "nube azul".

Esquema del típico diagrama color-magnitud que usan los astrofísicos para clasificar galaxias. En el eje horizontal se representa la magnitud o luminosidad de una galaxia, las más brillantes a la derecha, mientras que el eje vertical codifica el color intrínsico de cada una: abajo más azul, arriba más rojo. La mayor parte de las galaxias se encuentran en la conocida como "secuencia roja", otras muchas están en la "nube azul", pero se conocen pocos objetos en la zona de transición, bautizada como "el valle verde". Crédito: Wikipedia.
La importancia de esta división es grande: las galaxias azules están formando estrellas y creciendo, pero las galaxias rojas hace tiempo que dejaron de crecer y de formar estrellas. Así diríamos que, en cierta forma, las galaxias azules están "vivas" mientras que las rojas están "muertas". Curiosamente, encontrar galaxias "en la zona de transición" no es muy común. Estas galaxias ni azules ni rojas se dicen que estarían en lo que se conoce como "el valle verde", pero ojo que este color no tiene nada que ver con el color verde con el que se ven algunas galaxias, como los guisantes verdes. Irónicamente, aunque depende exactamente de cómo se haga la división, tanto la Vía Láctea como la galaxia de Andrómeda estaría dejando la nube azul para entrar en el valle verde.
¿Cómo ocurre la transición de galaxia azul a galaxia roja? La respuesta es simple: la galaxia deja de formar estrellas. ¿Y cómo ocurre esto? Pues o porque la galaxia consume todo su gas o porque algún mecanismo inhibe que el gas se forme en estrellas, quizá porque se pierde al medio intergaláctico. En cualquier caso la transición debería ocurrir poco a poco, durante un par de miles de millones de años, que es la escala de tiempo típica para que la última generación de estrellas nacida en la galaxia a partir de la última reserva de gas pase de ser joven a vieja.
Pero parece que hay algunas galaxias que pasan de ser azules a rojas rápidamente, en menos de mil millones de años (un tiempo aún pequeño en la escala del Cosmos). La última nota de prensa de ICRAR (International Centre for Radio Astronomy Research, Perth, Australia) recoge los resultados de un estudio que se publica este año en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS, Oxford University Press). Liderado por la joven astrofísica Ivy Wong (ICRAR) y el famoso astrofísico Kevin Schawinski (Swiss Federal Institute of Technology, y co-fundador de Galaxy Zoo), el artículo presenta un estudio combinando datos en ultravioleta, óptico y radio de cuatro galaxias "de transición" de azul a rojo. Según este análisis las galaxias no llegan a agotar todo su gas, sino que lo expulsan al medio intergaláctico.

Las cuatro galaxias estudiadas por Wong et al. 2015. La fila superior muestra las imágenes ópticas (bandas gri) de las galaxias usando datos de SDSS. Están ordenadas de izquierda a derecha en función del color ultravioleta, que es un buen trazador del tiempo, la más joven a la izquierda y la más vieja a la derecha. La fila inferior muestra cada galaxia pero en un campo más amplio, donde se recoge la emisión del gas atómico (línea de 21 cm del hidrógeno neutro, contornos blancos) y la emisión de radio-continuo a 1.4 GHz (en contornos verdes), ambos datos obtenidos con el radio-interferómetro WSRT. Galaxias más jóvenes tienen el gas más concentrado en su centro, mientras que los objetos más viejos y con poca formación estelar lo han expulsado al medio intergaláctico. Crédito de la imagen: Ivy Wong et al. 2015, MNRAS, 447, 3311.
Gracias a los colores ópticos y ultravioleta se puede establecer una escala temporal de galaxias más jóvenes (azules) a más viejas (rojas). Los autores encuentran, sorprendentemente, que los cuatro objetos de transición tienen aún gas atómico, que es el combustible necesario para la formación estelar. La detección de este gas frío se llevó a cabo gracias a observaciones radio (línea de 21 cm) con el interferómetro Westerbork Synthesis Radio Telescope (Países Bajos). Este tipo de observaciones radio permiten también detectar emisión "no-térmica" (emisión de radio-continuo), esto es, no relacionada con formación estelar, sino con objetos violentos como choques de material o agujeros negros. La sorpresa ha sido encontrar que objetos más viejos poseen el gas más lejos del centro de la galaxia, en dos casos incluso fuera de ella, ya lejos en el espacio intergaláctico.

Imagen multicolor de la galaxia J0836+30. La imagen de fondo es una imagen en color usando las cinco bandas (ugriz) del sondeo SDSS. La galaxia aparece en el centro de la imagen con un color amarillento. El gas frío atómico observado en la línea de 21 cm del hidrógeno neutro está codificado en azul y aparece al nordeste de la galaxia, en el espacio intergaláctico. Dos lóbulos brillantes en radio-continuo (en color magenta) indican los restos del material caliente expulsado por el agujero negro súper-masivo central de J0836+30 hace tiempo. Crédito de la imagen: Ivy Wong et al. 2015, MNRAS, 447, 3311.
¿Por qué se ha expulsado ese gas? Una explicación factible serían las interacciones de galaxias, pero los objetos estudiados no presentan indicios de que hayan experimentado algo parecido recientemente. Es más, se sabe que estas cuatro galaxias están bastante aisladas. Así que quizá la explicación haya que buscarla en el agujero negro central que poseen las galaxias. Si este agujero negro súper-masivo ha pasado por una fase activa, ha podido empujar el gas fuera de la galaxia. Esto es precisamente lo que se ve en un objeto, J0836+30, donde la emisión en radio aparece tanto en el gas difuso (en azul en la imagen) como en radio-continuo (lóbulos magenta en la imagen). La emisión en radio-continuo es muy simétrica y parece mostrar los restos del material energético expulsado por el agujero negro central de la galaxia. Es más, esta emisión en radio-continuo está alineada también con el gas difuso.
En resumen, parece que una de las razones por las que no se encuentren tantas galaxias en el "valle verde" es porque la transición de azul a roja pasa mucho más rápido de lo que se creía, y no porque el gas se agote, sino porque el gas se pierda al medio intergaláctico por la acción del agujero negro central que poseen todas las galaxias.
Historias relacionadas
- Buscando galaxias en interacción en el sondeo GAMA (23 de septiembre de 2014)
- Los guisantes verdes de Galaxy Zoo (31 de julio de 2009).
- La enorme emisión en radio de Centaurus A (17 de julio de 2009).
Más información
- Nota de prensa de ICRAR: Live fast die young galaxies lose the gas that keeps them alive (en inglés).
- Artículo científico publicado en la revista MNRAS, Wong et al. 2015, MNRAS, 447, 3311 (en inglés)
- Pre-print del artículo científico de Wong et al. 2015 (en inglés).
- Sondeo "Sloan Digital Sky Survey", SDSS (en inglés)
- Sondeo "Galaxy and Mass Assembly, GAMA (en inglés).