• INTRODUCCION

Para comprender el origen y formación de las galaxias; que son los mayores conjuntos de estrellas, gases y polvo, que se encuentran en el universo, hay que retroceder en el tiempo y llegar hasta el origen del universo, a partir de ahí habrá que ir explicar los más importantes acontecimientos que ocurrieron hasta la formación de las galaxias.

• ORIGEN DEL UNIVERSO

El Big Bang, literalmente gran estallido, constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita, en un momento dado "explota" generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.

El desarrollo de los siguientes segundos después de la gran explosión puede aclarar la actual estructuración del universo:

-Gran unificación: 10-42 de segundo después del big-bang el universo era mucho más pequeño que un protón. El espacio y el tiempo no hacían más que empezar. La temperatura era de 1032 grados y las fuerzas electromagnéticas y nucleares fuertes y débiles estaban fusionadas en una sola. Materia y energía eran lo mismo y las partículas aún no existían.

-Época quark y electrónica: 10-34 después del big-bang la inflación expandió el universo a un ritmo acelerado 1030 veces y la temperatura descendió 1027 grados. Al separarse la fuerza nuclear fuerte, la materia experimentó su primera transición de fase, apareciendo los quarks, electrones, neutrinos...

-La materia lucha contra la antimateria: 10-10 segundos después del big-bang, los quarks empezaron a unirse para formar protones y neutrones, así como antiprotones y antineutrones. Quedando solo un leve residuo de materia. Todas las fuerzas de la naturaleza ya estaban separadas.

-Época nuclear: Al cabo de un minuto aproximadamente, la temperatura ya había descendido lo suficiente para permitir que protones y neutrones al chocar formaran núcleos de hidrógeno y helio, los materiales más abundantes del universo y de las estrellas.

-Universo oscuro: Esta sopa de materia y radiación continuó expandiéndose y enfriándose durante 300.000 años pero era todavía muy energética para que los electrones se adhirieran a los núcleos de H y He para formar átomos. Los fotones energéticos convivían con esta sopa de partículas pero no podían viajar grandes distancias y el universo era esencialmente opaco.

-Época atómica. Se hace la luz: Después de los 300.000 años la temperatura cayó a unos 3.000 grados; los fotones ya no eran lo bastante energéticos para impedir que los electrones se uniesen a los núcleos de H y He, de modo que se formaron átomos de estos dos elementos; los fotones dejaron de interactuar con los electrones y pudieron escapar y viajar a grandes distancias. Esta separación de materia y radiación hizo que el universo se convirtiera en transparente; la radiación se dispersó en todas las direcciones corriendo a través del tiempo en forma de radiación cósmica de fondo tal y como ahora se detecta.

-Se forman estrellas y galaxias: La materia no se encontraba distribuida de modo uniforme (arrugas en el universo), lo cual propició atracciones gravitatorias locales; la materia se iba agrupando y se fueron formando estrellas y galaxias.

energía
fotones
electrones
quarks
protones y neutrones
núcleos atómicos
átomos
moléculas
macromoléculas...

La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales.

Un subapartado importante en la formación de las galaxias es el origen de la materia y energía ocasionado por la gran explosión del origen del universo.

• ORIGEN DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA

Conociendo la densidad de materia sería posible elegir entre los distintos tipos de modelos de universo. Las observaciones actuales muestran que la densidad media de materia ordinaria, bariónica, es inferior a 0.05. Esta estimación incluye la materia almacenada en objetos luminosos y la contenida en los agujeros negros, enanas marrones, objetos de tamaño planetario, etc. Este resultado es consistente con las predicciones de la nucleosíntesis primordial (en el big bang, para diferenciarla de la nucleosíntesis estelar, en las estrellas).

Se deduce la existencia de materia oscura no ordinaria, pero no conocemos todavía su composición, pero no conocemos todavía su composición. Durante algún tiempo los neutrinos desempeñaron un papel protagonista. Esta partícula tiene su origen en las reacciones nucleares que ocurren en el interior de las estrellas y las explosiones de supernovas. También debieron producirse en gran cantidad en los procesos de nucleosíntesis ocurridos en los primeros instantes de la vida del universo. Por todo ello su abundancia debe ser muy elevada. Sin embargo como interaccionan débilmente con la materia no son fáciles de estudiar y muchas de sus propiedades siguen siendo desconocidas. Carecen de carga eléctrica, pero no hay pruebas in controvertidas de que tengan masa. Actualmente han sido descartados como contribuyentes de la materia oscura ya que los modelos elaborados con ellos no consiguen explicar la distribución de las grandes estructuras del universo.

La mayor parte de la contribución a la densidad equivalente de radiación proviene de la radiación cósmica de fondo pero es insignificante, corresponde a la diez milésima parte de la aportación de la materia ordinaria.

La evaluación de la contribución de la densidad asociada a la constante cosmológica L es una de las aportaciones más reciente. Su reintroducción, impuesta por la teoría de la inflación, fue seguida por una imponente batería de proyectos observacionales cuya función es probar su existencia y medirla. Entre ellos destacan los análisis basados en el estudio de galaxias con bajos desplazamientos al rojo y en cuásares.

Ahora que ya tenemos el universo formado, la materia y la energía dispersadas por todo el espacio, nos falta saber como sigue evolucionando y expandiéndose en universo.

• EXPANSIÓN DEL UNIVERSO Y LA LEY DE HUBBLE

Primeramente, quisiera hacer un inciso para aclarar ciertos términos como, hipótesis y echo. Hipótesis significa suposición, algo que no esta probado con la absoluta certeza, se tiene indicios de que es muy probable pero no se sabe con seguridad. Por el contrario, echo viene a significar una constatación, algo que ha sido probado anteriormente y que ahora estamos seguro de su certeza.

La hipótesis de que toda la materia del Universo estaba concentrada en una esfera y que, como consecuencia de la explosión de ésta, comenzó a expandirse. La expansión continuaría actualmente y es la que los astrónomos miden bajo la forma de desplazamiento hacia el rojo de las bandas espectrales de las lejanas fuentes galácticas. La ley de Hubble establece que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia.

Edwin Hubble (1889-1953), por primera vez, localizó otras galaxias, además de la nuestra, La Vía Láctea, y calculó su distancia a partir de la luz que recibimos. Observó que todas, excepto algunas próximas a la nuestra, mostraban una desviación hacia el rojo en su espectro. Una desviación hacia el rojo significa que el objeto que emite aquella luz se aleja de nosotros; la desviación hacia el otro extremo del espectro, hacia el azul, significa que el objeto emisor se acerca. Hubble, después de observar y catalogar espectros de muchas galaxias publicó, en el 1929, sus conclusiones:

El conocimiento de la relación entre velocidad y distancia, que hoy recibe el nombre de constante de Hubble, es lo que nos permite explicar con qué rapidez se expande el universo y es lo que nos permite calcular que hace unos 15.000 millones de años se produjo el Big Bang.

Después de explicar la ley por la que sabemos que el universo esta en continua expansión, pasamos a la explicación de ello:

Para entender la expansión del universo primero tenemos que tener claros una serie de conceptos:

• Cuanto más alejada se encuentra una estrella más débil será su brillo. Es así como el brillo aparente de una estrella nos puede ayudar a saber qué tan lejos se halla.
   

• La luz que se observa de una estrella no solamente está afectada por la distancia a la que se encuentra. Si la estrella se mueve, también vamos a percibir cambios cualitativos en la luz que nos llega (Efecto Doppler).
   

• Si la estrella se encuentra en una galaxia muy lejana, la expansión del universo afecta a la luz emitida por la estrella produciendo cambios que también pueden ser medidos.

Según recientes investigaciones, se cree que el Universo está en una expansión cada vez más acelerada, con lo cual la fuerza de la gravedad no provocará una futura contracción y el Cosmos no será oscilante sino que se expandirá de forma indefinida. Para explicar esta fuerza de expansión, dichos astrónomos indican que existe una energía que la alimenta: dicha energía misteriosa, está en el espacio vacío, no se sabe muy bien de donde sale y constituye a la materia en expansión, la fuerza suficiente para que dicho movimiento no solo no se pare sino que se vaya acelerando.

Según esta teoría, la materia estará cada vez más alejada entre sí y llegará un tiempo en el futuro en el cual desde la Tierra no se verán las estrellas.

Si la energía se transforma en materia y viceversa, la formación o "creación" de materia puede surgir a partir de energía y concretamente de esta energía misteriosa "del vacío"; con lo cual, a medida que el Universo se expande, el espacio que va quedando vacío se puede ir llenando de nueva materia creada; es decir el Universo, no solo se expande, sino que crece en materia y por lo tanto las estrellas se seguirán viendo desde la Tierra, aunque serán distintas, si es que la Tierra todavía existe... Por la misma razón, otra materia se puede ir destruyendo, transformándose de nuevo en energía, en otro espacio y en otro tiempo... La creación de materia no tiene por que ser instantánea en el tiempo y en el espacio. Lo más probable es que continuamente se está creando y destruyendo materia, tanto en el espacio como en el tiempo: en un lugar del Cosmos se forma materia... en otro se destruye... en un tiempo se crea... en otro se destruye... y así sucesivamente.

Hay diversas opiniones sobre la aceleración y desaceleración de la expansión del universo, e aquí las dos teorías que nos pueden facilitar la verdadera cuestión:

En estos dos dibujos siguientes observamos en universo acelerado (abajo) y desacelerado (arriba). En la desaceleración se puede ver, que el universo observable aumenta más rápidamente que el factor de escala con lo que cada vez podemos ver mayor parte del universo; en cambio en la aceleración, la escala aumenta de manera exponencial mientras el universo observable aumenta de la misma manera que en el caso anterior. La cantidad de objetos que podemos ver disminuye con el tiempo y el observador termina por quedar aislado del resto del universo.

• FORMACIÓN Y EVOLUCIÓN DE LAS PROTOGALAXIAS

Para explicar la formación de las galaxias existen dos teorías:

El universo actual, esta cubierto por grandes acumulaciones de gases y estrellas, que se encuentran débilmente unidas por la fuerza de la gravedad. Fue de esas crisálidas cósmicas, (llamadas protogalaxias) de dónde han emergido las galaxias que hoy observamos. Exactamente cómo fueron formadas las protogalaxias es uno de los debates siempre presente dentro del seno de la comunidad de estudiosos del cosmos.

Una de las explicaciones para la formación de las protogalaxias nace de una consecuencia rigurosa con la física. Esta nos indica que es la gravedad el principal factor para que se formen esos objetos en el espacio. Un grumo primordial genera una atracción. La materia de sus alrededores reacciona juntándose, aumentando su masa e incrementando la gravedad. Este proceso se amplifica por sí mismo, al igual que como se comporta una bola de nieve cuando se desprende en caída desde los altos de una montaña. Así habrían nacido las galaxias del cielo, (condensando parte de la materia dispersada por el universo) y, si se quiere, con agujeros negros incluidos en sus núcleos centrales.

En el proceso que hemos descrito para el nacimiento de las galaxias en el universo es necesario hacer una precisión. No existía ninguna posibilidad de que aquel proceso se pudiese haber llevado a cabo si la materia hubiese sido absolutamente homogénea, ya que cada partícula, atraída de igual manera por todas las que la rodean, permanece en el estado inicial.

Pero ello cambia, cuando materia incrementa levemente su densidad por sobre el medio circundante, lo que hace que se genere un proceso de atracción y, de ahí, a la constitución de las protogalaxias.

Otra versión explicativa de la formación de las protogalaxias, es aquella que recurre a extensas ondas de choque, la que podría ser denominada como la teoría de las explosiones cósmicas. Ésta, parte de la premisa de que los gases primordiales se encontraban, entonces, repartidos en forma uniforme y que requirieron de alguna fuerza exógena para iniciar la evolución de gases a protogalaxias.

En un escenario, un número reducido de estrellas se formaron a partir de las regiones más densas de gas que comportaba el cosmos primitivo. Las más masivas de esas estrellas explosionaron como supernovas, creando cataclísmicas ondas de choque que empujaron los gases circundantes en densas nubes. Y, es a partir de esas nubes, es que las estrellas se fueron formando y constituyendo las modernas galaxias que hoy observamos.

• SECUENCIA DE FORMACION DE LAS GALAXIAS

• DISTRUBUCIÓN DE LAS GALAXIAS

Las galaxias no están aisladas en el espacio, sino que suelen ser miembros de agrupaciones de tamaño pequeño o medio, que a su vez forman grandes cúmulos de galaxias. Las galaxias no parecen distribuirse uniformemente, sino que se agrupan. Pero, lo sorprendente no es que las galaxias no se distribuyan uniformemente; si así fuere, el universo estaría organizado como un inmenso cristal. Ninguna ley conocida de la física explicaría tal universo cristalino.

Para entender cómo se agrupan las galaxias, considera una distribución de patos en una charca. Algunos patos se alejan por si mismos, pero muchos patos, la mayor parte del tiempo, se encuentran en pequeños grupos de dos o tres o más que tienden a viajar juntos. Los patos tienden a agruparse y, esta agrupación, no es resultado del azar. Los patos tienden a estar juntos unos de otros.

Como los patos, los cúmulos de galaxias se agrupan no por azar, sino porque quieren estar cerca, unos de otros. Por supuesto, como los patos, las galaxias no tienen deseos. Lo que los hace "querer" estar juntos es la fuerza de la gravedad. La gravedad atraerá las galaxias, estas se condensan por medio de la fuerza gravitacional y forman los cúmulos de galaxias. Los cúmulos a la vez forman otras agrupaciones llamadas supercúmulos, estos están dispuestos en largos filamentos fibrosos, con forma de lazo, separados por grandes vacíos. Los cosmólogos suponen que la materia oscura, que es un material hipotético que no irradia ni refleja la radiación electromagnética, puede existir en cantidades suficiente como para generar campos gravitatorios responsables de la distribución heterogénea del universo.

• TIPOS DE GALAXIAS

Según el aspecto que nos presentan a la observación de las galaxias pueden clasificarse en varios tipos. Los diferentes tipos de galaxias no sólo parecen diferentes, sino que también tienen diferentes historias evolutivas. Las tres clases fundamentales de galaxias son elípticas, espirales e irregulares. Estas categorías se dividen a su vez en subclases, a menudo ilustradas usando el diagrama de diapasón de Hubble. Originalmente, los científicos pensaron que este diagrama podía haber representado una secuencia evolutiva de las galaxias, pero hoy sabemos que esto no es verdad. La formación y evolución de las galaxias es un proceso complejo que aún se entiende poco.

Las galaxias elípticas son llamadas así porque tienen formas elípticas. Las estrellas, en las galaxias elípticas, se distribuyen alrededor del centro de la galaxia, uniformemente, en todas direcciones. Las elípticas tienen brillos que varían suavemente, disminuyendo gradual y constantemente, del centro hacia fuera. Las galaxias elípticas son también, casi todas, del mismo color: algo más rojas que el Sol. En el diagrama de diapasón son clasificadas como E, seguidas de un número indicando cuán elíptica es una galaxia dada. Cuanto más alto el número, más elíptica, o sea, más larga que ancha.

El color rojo de las galaxias viene de las estrellas más viejas y frías. El hecho de que la mayor parte de la luz proviene de estrellas viejas sugiere que muchas elípticas se formaron hace mucho tiempo.

Las galaxias más grandes, en el universo, son las galaxias elípticas gigantes, en ellas pueden contener un billón de estrellas.

Las galaxias espirales, tienen discos delgados de estrellas con bulbos brillantes en el centro, llamados núcleos. Los brazos espirales se envuelven alrededor de estos bulbos. Un halo esférico de estrellas extenso envuelve al núcleo y a los brazos. Los brazos espirales, probablemente, se formaron como resultado de ondas que barren el disco galáctico. Las ondas de densidad presionan las nubes de gas interestelar, causando que nuevas estrellas se formen dentro de las nubes. Algunas estrellas nacidas a partir de allí son masivas, calientes y brillantes, por lo que hacen que los brazos espirales sean brillantes. Estas estrellas masivas son azules o blancas, por lo que los brazos espirales también parecen blanco azulados. Los espacios entre los brazos contienen las estrellas más viejas que no son tan brillantes. Aún así, los núcleos de las espirales son, a menudo, rojos, como las galaxias elípticas, sugiriendo que están compuestos por estrellas más viejas.

En el sistema de diapasón de Hubble, las espirales normales son designadas como "S" y las variedades barradas "SB". A cada una de estas clases, a su vez, se las clasifica en tres subclases, de acuerdo al tamaño del núcleo y el grado en que los brazos espirales se enrollan. Las tres subclases se denotan con las letras minúsculas "a", "b" y "c". También hay algunas galaxias intermedias entre las elípticas y las espirales. Estas galaxias intermedias tienen la forma del disco característica de las espirales, pero no tienen brazos espirales. Estas formas intermedias tienen la designación "S0". Tres galaxias espirales se muestran abajo.

Las galaxias "irregulares", contienen una mezcla de formas -algo que no parece ni espiral ni elíptica-. Cualquier galaxia de forma no identificada - cuyas estrellas, gas y polvo se esparcen al azar- se clasifica como irregular. Las irregulares son las galaxias más pequeñas, y pueden contener no más de un millón de estrellas. Pueden ser los ladrillos para formar las primeras galaxias grandes. Muchas galaxias irregulares pequeñas orbitan la Vía Láctea, incluyendo a las Nubes Mayor y Menor de Magallanes.

Hubble reconoció dos tipos de galaxias irregulares, Irr I e Irr II. Irr I es el tipo más común de galaxias irregulares. Este tipo parece ser una extensión de las galaxias espirales, más allá de Sc, en galaxias con estructura espiral no discernible. Las galaxias Irr I son azules, muy dispersas, y con poco o ningún núcleo. Las galaxias Irr II son raras. Este tipo incluye varios tipos de galaxias caóticas que parecen haberse formado de muchas formas diferentes.

• ESTRUCTURA DE LAS GALAXIAS

Se creyó alguna vez que las regiones visibles de una galaxia espiral representaban el sistema en su totalidad. Los astrónomos consideran ahora que la materia que ha formado las estrellas no es sino una fracción diminuta del material total contenido en el interior de una galaxia. Esta otra masa está contenida en forma de objetos vagos, demasiado pálidos como para ser vistos desde las distancias a las que nosotros contemplamos las galaxias, u otras formas de materia que no podemos detectar directamente.

Entre la materia demasiado pálida para poder ser vista desde la Tierra, el disco de una galaxia espiral contiene vastos caminos de polvo y gas que no están luminados. Algunas veces, los caminos de polvo llegan a ser visibles porque bloquean la luz procedente de los brazos espirales, permitiéndonos reconocer su silueta. El disco galáctico contiene asimismo muchas estrellas más viejas y vagas que no pueden ser vistas porque son eclipsadas por las jóvenes estrellas brillantes en los brazos espirales. La rotación de las estrellas alrededor de las galaxias espirales ha proporcionado importantes claves para saber que las galaxias contienen mucha más materia de la que es posible ver. El estudio del modo en que los brazos espirales rotan ha conducido a los astrónomos a creer que existen grandes halos esféricos escondidos de materia alrededor de las galaxias espirales.

La distribución de las galaxias en un corte de la inspección espectroscópica del SDSS

La distribución de las galaxias en un corte de la inspección espectroscópica del SDSS