Las galaxias en anillo, el tipo de galaxia más raro de todos, finalmente se comprenden

Las espirales, elípticas e irregulares son más comunes que las galaxias en anillo. Por fin sabemos cómo se forman estos objetos ultra raros.

Fuente Stars whit a Bang (Big Think)

• Casi todas las galaxias pueden clasificarse como espirales, elípticas o irregulares. Solo una de cada 10.000 galaxias pertenece a la categoría más rara de todas: las galaxias en anillo.
• Con un núcleo denso formado por estrellas viejas y un anillo circular o elíptico compuesto por estrellas jóvenes, brillantes y azules, el primer anillo se descubrió en 1950: el objeto de Hoag.
• Tras décadas preguntándonos cómo se forman estos objetos, hemos visto suficientes, capturándolos en diversas etapas de evolución, como para finalmente saber de dónde provienen.

Cuando observamos el espacio profundo, más allá de los confines de la Vía Láctea, descubrimos que el Universo no está tan vacío. Una enorme variedad de galaxias llenan el abismo del espacio: pequeñas y grandes, cercanas y lejanas, en ricos cúmulos y en un aislamiento casi total. La propia Vía Láctea representa solo una de al menos dos billones de galaxias de este tipo (y probablemente varias veces más) dentro del Universo observable. Las galaxias son conjuntos de materia oscura y materia normal, donde esta última incluye plasmas, gas, polvo, planetas, agujeros negros y, sobre todo, estrellas. Después de todo, es mediante el análisis de la luz estelar que hemos aprendido más sobre las propiedades físicas de las galaxias y hemos podido reconstruir cómo se formaron.

En general, observamos cuatro clases de galaxias.

1. Las espirales, como la Vía Láctea, son el tipo más común de galaxia grande en el Universo.
2. Las elípticas, como M87, son el tipo de galaxia más grande y común en las ricas regiones centrales de los cúmulos galácticos.
3. Las galaxias irregulares son un tercer tipo ubicuo, generalmente distorsionadas de su forma espiral o elíptica previa por interacciones gravitacionales.
4. Pero existe un tipo muy raro, impactante y hermoso: las galaxias en anillo.

Las galaxias en anillo representan solo 1 entre 10.000 de todas las galaxias existentes, y la primera conocida por la humanidad, el objeto de Hoag, se descubrió en 1950. Han pasado más de 70 años desde ese descubrimiento fortuito, y finalmente hemos descubierto cómo el universo las forma.

Visualmente, al observar una galaxia en anillo, se observan numerosas características que resultan sumamente inusuales entre las galaxias individuales.

1. La galaxia tiene un núcleo central relativamente compacto, con poco o ningún gas y cuya población estelar se compone principalmente de estrellas más viejas. Ha habido muy poca formación estelar reciente en esa región central, si es que ha habido alguna.
2. Alrededor de esa galaxia, hay un vacío: una región de muy baja densidad: baja densidad de gas, baja densidad de polvo y también baja densidad estelar. En general, prácticamente no hay estrellas, ni luz, y muy poco gas o materia neutra, especialmente en comparación con las regiones más internas o más externas.
3. Y luego, más allá, hay otra población luminosa de estrellas. Esta población existe en un anillo brillante que rodea el núcleo central, pero es mucho más azul que el propio núcleo. Esto indica que las estrellas dentro del anillo se formaron mucho más recientemente y están dominadas por estrellas calientes, de corta vida y de color azul.

El hecho de que estas características se observen simultáneamente en las galaxias en anillo las hace aún más interesantes. No se trata de una simple coincidencia, sino de una pista para resolver el misterio de cómo se crean y qué condiciones se requieren para su formación.

Al observar la ubicación de las galaxias en anillo, se observa que se encuentran mayoritariamente en lo que los astrónomos llaman «el campo», a diferencia de las ubicaciones centrales de los ricos grupos y cúmulos de galaxias. Aunque este conjunto de características pueda parecer extraño y sin relación, todas son pistas cósmicas sobre el origen de estas características.

Se han propuesto varias explicaciones posibles para estas galaxias en anillo que estamos seguros son erróneas, ya que no pueden explicar todas las características observadas en conjunto cuando examinamos estos objetos en detalle.

• Definitivamente no son nebulosas planetarias, que a veces poseen anillos a su alrededor. Como nos han enseñado nuestras observaciones, los núcleos y los anillos están compuestos de estrellas, no de gases, polvo, plasma y otras eyecciones originadas por una sola estrella moribunda.
• No están formadas por una galaxia joven que se estira y desgarra formando un anillo que rodea a una galaxia separada, más antigua y masiva, situada en el centro. La edad de las estrellas en los anillos exteriores y las propias formas de los anillos demuestran que esto no puede ser así, ya que las escalas de tiempo y las restricciones del momento angular contradicen este escenario.
• Y no son ejemplos de lente gravitacional, donde un objeto grande y masivo estira, distorsiona y magnifica la luz de fondo de los objetos luminosos a lo largo de la misma línea de visión. Las lentes gravitacionales existen y pueden crear formas anulares en condiciones de alineación adecuada, pero todas estas galaxias anulares tienen la población «anular» y la población «central» con el mismo corrimiento al rojo, en lugar de que una sea un objeto en primer plano y la otra en segundo plano. Esto descarta la posibilidad de una lente gravitacional.

Sea lo que sea que estemos observando, podemos estar seguros de que todos estos son ejemplos de una sola galaxia con dos poblaciones de estrellas distintas: una vieja en la región central y una joven en la región anular.

Afortunadamente, ya no vivimos en la década de 1950, con un solo ejemplo de galaxia en anillo. Ahora contamos con una gran cantidad de ejemplos similares de galaxias en anillo, y podemos observar que, en estas galaxias, existen muchas características que parecen ser universales o casi universales. Al examinar estas diversas características, podemos unir algunas piezas del rompecabezas e intentar comprender de forma coherente cómo se forman estos objetos y explicar por qué presentan las características y propiedades que observamos.

En abril de cada año, la NASA y el Instituto Científico del Telescopio Espacial publican una imagen de aniversario del Hubble, en conmemoración de su lanzamiento en 1990 el 24 de abril. Esto resulta interesante para los aficionados al Hubble desde hace mucho tiempo, ya que la imagen publicada con motivo del 14.º aniversario del Hubble, en 2004 [https://hubblesite.org/contents/media/images/2004/15/1520-Image.html], proporcionó una serie de pistas importantes.

A continuación, se muestra la imagen del 14.º aniversario de la galaxia AM 0644-741 [https://hubblesite.org/contents/media/images/2004/15/1520-Image.html], que reveló un anillo que no tiene una forma perfectamente circular, sino que forma una especie de elipsoide alargado. En teoría, esto podría deberse a un efecto de proyección, y vemos una estructura circular como si estuviera inclinada hacia nosotros, o a que la formación del anillo exterior se produjo de forma asimétrica. Resulta que ambas explicaciones son válidas si consideramos solo este objeto, pero vale la pena destacar otras estructuras para determinar cuál se ajusta mejor a lo que observamos.

En primer lugar, a una distancia de tan solo 300 millones de años luz, es relativamente fácil determinar varias propiedades importantes de esta galaxia. El eje longitudinal del anillo azul se encuentra a unos 130.000 años luz, lo que lo hace comparable en tamaño a la Vía Láctea, mientras que el componente central, de color blanco/amarillo, es mucho más pequeño: tan solo 50.000 años luz.

En segundo lugar, se observan formaciones polvorientas recortadas contra el gran anillo, lo que demuestra que no solo queda «combustible» para suministrar gas para la formación estelar continua, sino que también indica que existen regiones de densidad desigual en su interior. Muchas de las zonas que aparecen más oscuras a nuestros ojos no son regiones sin estrellas, sino regiones ricas en polvo que bloquea la luz. Con el tiempo, ese polvo debería contraerse y formar nuevas estrellas, alimentando a esta galaxia incluso millones de años después.

En tercer lugar, hay regiones rosadas que salpican el anillo azul, lo que indica la presencia de hidrógeno ionizado: una característica típica de las nuevas regiones de formación estelar donde se están formando estrellas activamente en este momento.

Y finalmente, si observamos una imagen de campo más amplio que la captada por el Hubble, incluso podemos encontrar un candidato perfecto para ser el responsable de este anillo galáctico de forma irregular: una galaxia intrusa que aparentemente «atravesó» lo que ahora es una galaxia en anillo. En otras palabras, esta característica del anillo no surgió de la nada, sino que fue causada por una intrusión que provocó su formación bastante recientemente.

¿Cómo pudo ocurrir esto? Tenemos una explicación coherente. Dentro de prácticamente todas las galaxias de disco, incluidas todas las galaxias espirales, incluso en estos tiempos cósmicos relativamente tardíos, existen abundantes reservas de gas. Cuando las galaxias de disco/espiral viajan a través de un medio rico en espacio, como el que se encuentra dentro de los cúmulos de galaxias, el gas se agota. Cuando el gas se agota por completo, ya no se pueden formar nuevas estrellas. Esto da lugar a un tipo de galaxia donde solo sobreviven las estrellas más viejas y longevas: las que llamamos galaxias «rojas y muertas».

Lo contrario es que, siempre que se producen nuevos episodios de formación estelar, esas estrellas recién formadas abarcan toda la gama de colores y masas: desde estrellas calientes, azules y de gran masa hasta estrellas frías, rojas y de baja masa. Sin embargo, las estrellas más calientes, azules y masivas consumen su combustible más rápido, por lo que son las primeras en morir. A medida que una población estelar envejece, el color de esas estrellas pasa del azul al blanco, al amarillo, al naranja y al rojo. Cuanto mayor sea el tiempo transcurrido desde su más reciente episodio de formación estelar, más roja será la población estelar. Si no queda gas para formar nuevas estrellas, no solo es roja, sino que también está «muerta», al menos en sentido astronómico.

Por eso, creemos que encontramos principalmente galaxias en anillo en el campo, en lugar de en cúmulos. Necesitamos una galaxia espiral rica en gas para empezar, y luego, cuando una galaxia interlocante pase por su centro, esa colisión creará ondulaciones en el gas que se desplazan hacia afuera, lo que desencadena la formación estelar y crea la famosa forma de anillo.

Otro ejemplo de galaxia en anillo, claramente en un estado menos evolucionado, es la galaxia Cartwheel, que se muestra arriba. A la derecha, no solo se puede ver el núcleo denso y antiguo de una galaxia espiral preexistente, rica en gas, rodeada por un brillante anillo azul de estrellas jóvenes y calientes, sino también una serie de filamentos entre el núcleo y el anillo. Estos filamentos están salpicados de estrellas azules y blancas, aunque con un brillo mucho menor que el del núcleo principal o el del propio anillo.

¿Podría haberse formado de la misma manera: a partir de una galaxia interpolada que atravesó el centro de lo que ahora es una galaxia en anillo, provocando que el gas se expandiera hacia afuera, se comprimiera y enrarezca a su vez, y formara nuevas estrellas?

No solo es la mejor explicación, sino que existe una evidencia irrefutable que proporciona una excelente evidencia de esta posibilidad. Justo a la izquierda de la galaxia Cartwheel y ligeramente hacia la parte superior de la imagen superior, se encuentra una galaxia más pequeña e irregular, rica en estrellas jóvenes, azules y brillantes. De nuevo, es probable que esta fuera la galaxia que recientemente atravesó el centro de la galaxia mayor. En este sistema en particular, no solo la galaxia Cartwheel era una espiral rica en gas, sino también, muy probablemente, la intrusa, que se volvió irregular debido a la reciente interacción.

Algunas galaxias en anillo, como Zwicky II 28, que se muestra arriba, presentan algún tipo de atípica. En algunos casos, la galaxia intrusa no se encuentra por ninguna parte. Esta es una de las razones por las que la galaxia en anillo original —el objeto de Hoag— sigue siendo tan misteriosa, incluso 75 años después de su descubrimiento. Otras, como la que se ve aquí, parecen carecer de un núcleo central antiguo de estrellas.

Sin embargo, debemos recordar que, al observar un objeto en particular, estamos limitados por nuestra perspectiva particular. En el caso de Zwicky II 28, la asimetría del anillo es clave; la parte «más brillante» en la parte superior izquierda parece albergar el núcleo central, mientras que la parte «más oscura» en la parte inferior derecha es antípoda a este.

Esto tiene una explicación potencialmente sencilla: ¡la orientación de la colisión y de la galaxia con respecto a nuestra línea de visión son muy importantes!

Por supuesto, la orientación no es el único factor importante; También es posible que la galaxia entera se estire formando un anillo debido a una colisión. Generalmente, esto ocurre cuando se produce una colisión entre dos galaxias de masas comparables, donde solo una de ellas inicialmente tenía un número relativamente bajo de estrellas en su interior. Es en estas condiciones que una colisión puede provocar tanto la formación de un anillo como la disrupción gravitacional de la galaxia original, permitiendo que tanto la galaxia precursora como el anillo ocupen la misma región en el espacio. Esto, más que un simple desplazamiento del núcleo, es probablemente la causa de al menos algunas galaxias anulares sin núcleo, incluyendo el anillo sin núcleo encontrado en Arp 147, abajo.

Todo esto es una historia muy bonita, por supuesto, pero ¿estamos seguros de su veracidad?

Hay una forma de poner a prueba este escenario de formación de galaxias en anillo. En teoría, si nuestra imagen es correcta, deberíamos encontrar:

• pares de galaxias que se acercan rápidamente y están a punto de interactuar,
• algunos pares en los que una de ellas se aproxima en el ángulo justo para atravesar el centro de la otra,
• lo que lleva a la formación de nuevas estrellas en un anillo fuera de la galaxia principal,
• incluyendo el posible desplazamiento de parte o incluso la totalidad del núcleo original,
• seguido de una mayor evolución hacia diversas formas anulares, especialmente si nuestra muestra es lo suficientemente grande.

Las simulaciones pueden reproducir esto, y eso establece nuestras expectativas. Sin embargo, también necesitamos confirmar y validar estas predicciones, lo que exige encontrar ejemplos de todas estas diferentes etapas predichas de este proceso en el Universo.

Cuando observamos el Universo, la escala temporal de la civilización humana es demasiado corta para observar cómo se desarrolla este proceso en un solo sistema galáctico; Solo podemos obtener instantáneas de cómo están las cosas en este preciso instante, cuando llega la luz del universo. Vemos numerosos ejemplos de pares de galaxias en interacción, especialmente en el campo (en lugar de en cúmulos), con propiedades que podrían dar lugar a un anillo. Y vemos muchos ejemplos de anillos mismos, surgidos de un estado poscolisión.

Pero también hay objetos que muestran el momento crítico exacto que esperamos identificar, como el objeto de Mayall. Originalmente considerado una nebulosa con forma de «signo de interrogación» cuando se identificó por primera vez en 1940, ahora se sabe que es la colisión de dos galaxias en el proceso de creación de una galaxia en anillo.

Por fin, contamos con un escenario validado para la creación de todas y cada una de las galaxias en anillo observadas. Es un gran éxito, por supuesto, pero aún queda mucho por hacer.

A pesar de que ahora sabemos cómo se forman las galaxias en anillo en general, el objeto de Hoag —el anillo original— sigue siendo un caso atípico que se niega obstinadamente a ser explicado por un único escenario simple. El anillo y el núcleo del objeto de Hoag tienen velocidades casi idénticas, lo que indica que, si hubo un intruso que formó el anillo, fue un proceso muy silencioso: uno que no alteró significativamente la estructura de la galaxia. No hay evidencia en las proximidades del objeto de Hoag de una posible galaxia intrusa, lo cual es sorprendente, ni tampoco observamos fragmentos de galaxias en las cercanías.

No se puede salvar el escenario retrocediendo la colisión en el pasado, ya que el anillo exterior de estrellas es demasiado joven. Y el núcleo interno, en lugar de ser una espiral, muestra la forma de una elíptica pobre en gas. Una posible explicación aún viable es que la galaxia interlocante atravesó el objeto de Hoag y se encuentra actualmente al otro lado, perfectamente alineada con nuestra línea de visión, detrás del centro elíptico. Sin embargo, no hay evidencia de esto; simplemente no se ha descartado con las observaciones actuales.

Aun así, es un logro notable, en general, poder explicar el proceso de formación de la clase más rara de todos los tipos principales de galaxias: las galaxias en anillo. Si se tiene una galaxia espiral rica en gas y otra galaxia aparece y atraviesa su centro, los gases internos se extenderán hacia los bordes, impactando con el gas preexistente en el camino, desencadenando nuevas oleadas de formación estelar en las afueras, a la vez que se agota la materia normal del núcleo galáctico. Con mejores datos en más longitudes de onda, lo cual es una gran ventaja ahora que hemos entrado en la era del JWST, los misterios restantes podrían estar a punto de resolverse. Aun así, siempre es importante hacer un balance de dónde estamos y apreciar lo lejos que hemos llegado en nuestra comprensión no solo de lo que hay ahí afuera en el Universo, sino también de cómo llegó a existir.