crédito: ESA/Gaia/DPAC
en abril pasado, Amina Helmi sintió la piel de gallina mientras conducía al trabajo en el norte de los Países Bajos. No tenía nada que ver con el clima era pura anticipación. Pocos días antes, se había liberado una avalancha de datos de Gaia, una misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) que ha estado cartografiando la Vía Láctea durante cinco años., La astrónoma de la Universidad de Groningen y su equipo corrían para revisar los datos en busca de información sobre la galaxia antes de que otros llegaran primero.
trabajando en avance rápido, incapaz de dormir por la emoción, Helmi y sus colegas sintieron que estaban en algo. El equipo había visto un conjunto de 30.000 estrellas renegadas. A diferencia de otros objetos en el cuerpo principal de la Vía Láctea, que orbitan en forma de disco relativamente plano, estos inconformistas se movían hacia atrás, en órbitas que los llevaban fuera del plano galáctico.,
en pocas semanas, el equipo había descubierto que la Horda luminosa apuntaba a un capítulo oculto y especialmente tumultuoso en la historia de la Vía Láctea: un choque entre la joven galaxia y una compañía colosal1. Esa bestia una vez rodeó la Vía Láctea como un planeta alrededor de una estrella, pero hace unos 8 mil millones a 11 mil millones de años, las dos chocaron, alterando masivamente el disco galáctico y dispersando estrellas a lo largo y ancho. Es el último gran accidente conocido que la galaxia experimentó antes de asumir la familiar forma espiral que se ve hoy en día.,
aunque la señal de ese antiguo accidente había estado escondida a plena vista durante miles de millones de años, fue solo a través del conjunto de datos de Gaia que los astrónomos finalmente pudieron detectarla. «Es increíble haber podido encontrar un hito tan importante en la historia de la Vía Láctea», dice Helmi.
estos descubrimientos monumentales se están volviendo casi comunes gracias a Gaia. La misión tiene como objetivo catalogar más de mil millones de estrellas locales, trazando su brillo, temperaturas, edades, ubicaciones y velocidades., Son estas dos últimas propiedades las que son particularmente edificantes para los astrónomos: antes de Gaia, los científicos carecían de mediciones de alta precisión de la distancia a muchas estrellas, así como de lo que se conoce como Movimiento Propio, o el movimiento de una estrella a través del cielo. Usando esta información crucial, los investigadores pueden — Como Helmi y sus colegas hicieron-buscar grupos de objetos que viajan juntos en trayectorias coordinadas que apuntan a una historia común., Las velocidades estelares también pueden ayudar a los astrónomos a rastrear la influencia de la materia oscura, la sustancia invisible y aún misteriosa que constituye la mayor parte de la masa de la galaxia y dobla los caminos de las estrellas con su gravedad.
Se han publicado cientos de artículos desde la publicación de datos de Gaia en abril de 2018. Pintan una imagen de una Vía Láctea que es mucho más dinámica y compleja de lo que se imaginaba anteriormente. La galaxia está repleta de sorpresas, incluyendo indicios de aglomeraciones de materia oscura que eventualmente podrían dar a los científicos una mejor comprensión de las propiedades del material sombrío., Los primeros hallazgos, fáciles de detectar, ya han sido transformacionales, dice el astrónomo Vasily Belokurov de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y sin embargo son simplemente un vistazo de lo que está por venir: «cómo vemos la Vía Láctea ha cambiado claramente.»
un pasado disruptivo
el Sistema Solar se encuentra en las afueras de la Vía Láctea, a unos 8.000 pársecs (26.000 años luz) del Centro Galáctico, en un brazo espiral secundario conocido como Orión. Es desde esta posición, mirando la enorme banda estrellada que se extiende a través del cielo nocturno, que los astrónomos deben trazar la estructura de la galaxia., A mediados del siglo XX, habían pintado un cuadro amplio, determinando que las estrellas de la Vía Láctea están distribuidas en un bulbo central, envueltas por brazos estelares serpentinos y rodeadas por un halo delgado y esférico. En las décadas de 1970 y 1980, los investigadores dedujeron cómo esta estructura se había construido a lo largo de miles de millones de años, comenzando con una vasta nube de materia oscura, gas y polvo. Los componentes visibles colapsaron en una estructura similar a un disco, que luego se hinchó devorando galaxias satélite más pequeñas., Más tarde, los astrónomos completaron los detalles utilizando telescopios terrestres para fotografiar repetidamente todo el cielo nocturno. Tales estudios permitieron a los científicos observar más de cerca objetos galácticos a gran escala, como el halo estelar, donde encontraron restos de pequeñas galaxias que se habían extendido en corrientes de desechos estrellados.
pero los estudios en tierra solo dan a los astrónomos cierta información sobre la estructura de la Vía Láctea, principalmente porque el desenfoque de la atmósfera turbulenta de la Tierra limita la precisión con la que se pueden determinar las distancias a las estrellas., Y aunque la velocidad a la que las estrellas se mueven hacia o lejos de la Tierra se puede medir por cambios de color, clasificar su movimiento propio, y por lo tanto su velocidad 3D completa, es difícil porque la mayoría de los objetos se mueven muy poco a través del cielo en escalas de tiempo humanas. Ese problema ha oscurecido las relaciones entre muchas estrellas-enlaces que podrían ser revelados por similitudes en sus movimientos.
La misión Gaia, de aproximadamente 740 millones de euros (844 millones de dólares de los EE.UU.), que fue aprobada en 2000 y puesta en marcha 13 años más tarde, estaba diseñada para llenar esas lagunas., Orbitando el sol un poco más lejos que la Tierra, la nave espacial toma las mismas estrellas desde diferentes posiciones en su órbita. Esto permite a los astrónomos medir la distancia a través de una cantidad conocida como paralaje estelar — cambios infinitesimales en la posición aparente de un objeto en el cielo que acompañan un cambio de perspectiva. El satélite Hipparcos de la ESA, que funcionó entre 1989 y 1993, recopiló datos de paralaje similares. Pero la precisión de Gaia será en última instancia 100 veces mayor., Y gracias a su sensibilidad, puede sondear más profundamente en la galaxia: alrededor del 99% de las más de 1 mil millones de estrellas que observa nunca han tenido sus distancias determinadas con precisión.
en una empresa computacionalmente intensiva, los investigadores de Gaia han construido una gráfica de la ubicación de cada estrella en relación con cada otra estrella que ve el telescopio. Esto ha permitido al equipo medir la velocidad con la que las estrellas parecen viajar a través del cielo, su propio movimiento., Luego, midiendo pequeños cambios en el color de las estrellas, los astrónomos pueden obtener una indicación de la rapidez con la que los objetos se están moviendo hacia o lejos del satélite, a lo largo de su línea de visión. La combinación de las dos medidas, más las distancias calculadas desde Gaia, proporciona el movimiento 3D completo de las estrellas. Gaia puede medir el movimiento de la línea de visión de las estrellas más brillantes que ve, pero los telescopios terrestres ayudarán a medir las estrellas restantes. Saber dónde está cada estrella y hacia dónde va permite a los investigadores descubrir rápidamente la historia oculta de la Vía Láctea.,
tal fue el caso de la antigua colisión investigada por Helmi y sus colegas (ver ‘fusión en las primeras etapas de formación de nuestra Galaxia’). En su trabajo, la evidencia de que la cohorte de estrellas que vieron compartían un origen común fue reforzada por los datos del estudio terrestre Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en Nuevo México, que mostró que todos los miembros del conjunto tenían una composición química similar. El equipo eligió el nombre de Gaia-Encélado para la galaxia enana que se cree que ha sido el hogar de las estrellas. Encélado era un gigante que descendía de Gaia en la mitología griega.,
como sucedió, Belokurov y sus colegas también habían encontrado evidencia de la colisión, utilizando información de la publicación preliminar de datos de Gaia en 2016. Esos datos no incluían lecturas de movimiento propio, pero al comparar las posiciones estelares en ese conjunto de datos con las observaciones del SDSS tomadas hace aproximadamente una década, el equipo pudo ver cómo se habían movido las estrellas en el tiempo intermedio. Notaron un grupo de objetos viajando juntos en órbitas excéntricas que eventualmente los llevarían desde el Centro de la galaxia a las afueras., Estos parecían haberse originado de un solo accidente importante, su historia compartida aparente debido a las similitudes en el contenido de metal. Debido a que las velocidades trazadas formaban una forma de salchicha, el equipo llamó a la antigua galaxia enana que una vez fue el hogar de las estrellas, Gaia Sausage2.
el doble nombre ha llevado a cierta confusión en la comunidad. Pero como sea que se llame al culpable, la antigua fusión podría ser una pista de un misterio permanente de la Vía Láctea., El disco de la galaxia tiene dos componentes: un delgado disco interno que contiene gas, polvo y estrellas jóvenes se encuentra como el relleno de una Oreo, dentro de un grueso disco externo que consiste casi en su totalidad de estrellas más antiguas. Los astrónomos han debatido si el disco grueso surgió primero, con gas y polvo luego condensándose para formar un núcleo más delgado, o si la estructura comenzó con un disco delgado que luego se hinchó parcialmente., Debido a que la salchicha Gaia-Encélado era una fracción significativa del tamaño de la Vía Láctea durante el accidente, habría depositado una gran cantidad de energía en el disco galáctico, calentándolo y expandiéndolo. El grupo de Helmi ve esto como una marca a favor del escenario hinchado, y evidencia de una distorsión dramática en la Vía Láctea.
explosión del conocimiento
La velocidad a la que se pueden obtener tales conocimientos previamente difíciles utilizando los datos de Gaia ha asombrado a los investigadores., La astrónoma Kathryn Johnston de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York recuerda el rumor sobre un artículo publicado el día después de la publicación de los datos de abril, que muestra cómo los movimientos de unos 6 millones de estrellas cerca del Sol están alineados en un peculiar patrón de espiral similar a una concha de caracol3.
El patrón parecía ser una huella dactilar, dice Johnston, estampada por una pequeña galaxia satélite conocida como Sagitario. Cada vez que Sagitario se acerca, perturba gravitacionalmente Las estrellas galácticas, y esto debería generar oscilaciones y ondulaciones en el disco., Los investigadores habían conjeturado previamente sobre tales impresiones, pero la firma en los datos de Gaia parecía ser la primera señal clara y convincente de la influencia de Sagitario. «Para mí fue un momento impresionante», dice Johnston. «La espiral estaba tan limpia. Parecía una predicción teórica de una simulación idealizada, no una gráfica de datos reales.»
gracias a los ojos de Gaia, tales perturbaciones no solo se destacan, sino que también cuentan una historia diferente sobre el pasado de la Vía Láctea., Anteriormente, la mayoría de los astrónomos presumían que mientras que el halo exterior de la galaxia ha soportado una historia caótica de colisión con satélites más pequeños, la mayor parte ha vivido una vida bastante tranquila. Características como los brazos espirales y una barra de estrellas que se cree que cruzan el bulbo central generalmente han sido tratados como productos de la dinámica interna de la Vía Láctea. Pero las oscilaciones que parecen ser inducidas por Sagitario sugieren que las fuerzas externas tienen una mayor influencia en la forma de la Vía Láctea de lo que se reconoció anteriormente.,
Gaia está obligando a los investigadores a echar un segundo vistazo a algunas de las suposiciones canónicas que se utilizan para simplificar los modelos, dice el astrofísico Adrian Price-Whelan de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. «Sabíamos que esas suposiciones eran erróneas», agrega. «Gaia ahora nos ha mostrado lo equivocados que estaban.»
trazar el lado oscuro
mapear los objetos luminosos de la Vía Láctea también podría arrojar luz sobre la materia oscura, que podría constituir tanto como el 90% de la masa de la galaxia., Los teóricos sospechan que nuestra galaxia se encuentra dentro de un halo enorme, aproximadamente esférico de materia oscura que, al igual que la materia ordinaria, se ha agrupado en estructuras más pequeñas gracias a la gravedad. Simulaciones cosmológicas sugieren que miles de grandes grupos de materia oscura orbitan la galaxia, ocasionalmente siendo devorados por una masa de materia oscura en el centro, en un proceso similar al consumo de la Vía Láctea de sus pequeños satélites visibles.
se cree que la gran mayoría de las subestructuras de materia oscura contienen pocas o ninguna estrella, lo que las hace difíciles de detectar., Pero Gaia podría haber encontrado un indicio de uno en GD-1, una larga corriente de estrellas descubierta en 2006 que se extiende a través de la mitad del cielo del Norte. Esta corriente estelar no es ajena al escrutinio, pero Gaia permitió a Price-Whelan y a la astrónoma Ana Bonaca del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Cambridge, Massachusetts, seleccionar con mayor confianza a los verdaderos miembros del grupo4. En noviembre pasado, ellos y otros dos colegas identificaron características estructurales, incluida una brecha distinta, que podrían ser las cicatrices de un encuentro con un objeto masivo hace unos 500 millones de años5., A medida que el perturbador putativo avanzaba a toda velocidad más allá de la corriente, podría haber separado el tren de estrellas tirando gravitacionalmente de algunas, permitiéndoles tirar por delante de sus compañeros.
el culpable más probable parece ser un denso grupo de materia oscura, probablemente en algún lugar entre 1 millón y 100 millones de veces la masa del sol, dice Bonaca. Esa estimación podría tener implicaciones para los modelos físicos de materia oscura. La masa de una partícula de materia oscura ayuda a dictar qué tan rápido puede moverse y, a su vez, el tamaño de los cúmulos que puede formar., El tamaño del perturbador GD-1 está en un rango interesante, dice Bonaca, que podría eliminar candidatos hipotéticos de materia oscura que son relativamente bajos en masa.
Bonaca y su equipo ahora están interesados en usar los datos de Gaia para determinar las velocidades de las estrellas perturbadas en la corriente, lo que podría apuntar a la órbita del supuesto grupo de materia oscura. Si pueden determinar dónde se puede encontrar hoy en día, podrían ser capaces de detectar sus efectos gravitacionales en otro material., O tal vez podrían entrenar telescopios de rayos γ en el lugar para buscar evidencia de partículas de materia oscura que se aniquilan entre sí o se descomponen, procesos que podrían emitir fotones energéticos. Cualquiera de las dos técnicas podría ofrecer una sonda más directa de las propiedades físicas de la sustancia invisible.
Sin embargo, Price-Whelan dice que es difícil inferir demasiado de un solo ejemplo., Espera que los estudios sistemáticos que utilicen el catálogo Gaia y futuros observatorios — como el gran telescopio terrestre de observación sinóptica en Chile, que se espera comience a recopilar datos a principios de la década de 2020-revelen estrellas más débiles y otras corrientes estelares. Si algunas de esas corrientes también muestran efectos de encuentros con grupos de materia oscura, podrían dar a los astrónomos una mejor idea de la abundancia y el tamaño de tales grupos, lo que ayudaría a precisar las propiedades de la materia oscura.,
Los astrónomos esperan que los datos de Gaia sobre los movimientos estelares también les ayuden a trazar la forma general del lado oscuro de la galaxia. Dependiendo del tipo de partícula a partir de la cual se construye, el halo de materia oscura de la Vía Láctea podría tener diferentes niveles de esfericalidad o simetría. Belokurov espera que la información de Gaia sobre las órbitas estelares locales sea suficiente para rastrear la masa general y la forma del halo de materia oscura en los próximos 2-4 años.
tales hallazgos no se limitarán a la Vía Láctea., Las conclusiones extraídas sobre la historia de la galaxia y la distribución de la materia oscura se retroalimentarán en los modelos cosmológicos que se utilizan para explorar cómo crecieron y cambiaron las grandes estructuras del Universo. Gaia ya ha recibido su primera extensión de la misión hasta finales de 2020, y el astrónomo Anthony Brown de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, que preside el consorcio de procesamiento y análisis de datos de la misión, cree que el satélite puede continuar recopilando datos hasta 2024, para una misión de diez años en total., Dice que esta extensión debería proporcionar una mejora de factor de tres en la precisión de la medición de Gaia del Movimiento Propio de las estrellas que actualmente rastrea. Y podría proporcionar información sobre estrellas cada vez más distantes.
El Legado final de Gaia aún no se ha escrito, pero todos los indicios sugieren que será sustancial. Los datos de los estudios de todo el cielo como los realizados por el SDSS continúan proporcionando descubrimientos fructíferos sobre el Universo una década o más después de que se completaron., Helmi espera rebobinar aún más la historia de la Vía Láctea a medida que el catálogo de Gaia se haga más grande y detallado. «Una de las cosas que me parece más emocionante», dice, » es que acabamos de empezar a profundizar en el pasado.”