Jessica Walker, astrónoma de la Universidad de Washington en Seattle, dijo en una reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en junio y octubre del año pasado: “Las galaxias son como tú y como yo: viven en un estado de. caos constante."
La mayoría de las turbulencias ocurren en un entorno grande y complejo llamado medio ambiente (CGM). Esta vasta nube de polvo y gas natural es la fuente de combustible, la acumulación de desechos y el centro de reciclaje de la Vía Láctea. Los astrónomos creen que las respuestas a los misterios más apremiantes de las galaxias están ocultas en el medio circundante (CGM) que las rodea, como por ejemplo cómo las galaxias continúan formando nuevas estrellas durante miles de millones de años y por qué la formación de estrellas se detiene repentinamente.
“Para comprender las galaxias, hay que comprender los ecosistemas en los que viven”, afirmó la astrónoma Molly Pips del Instituto Científico del Telescopio Espacial de Baltimore.
Sin embargo, la atmósfera de esta La galaxia es tan difusa que es invisible, y un litro de medio circundante contiene sólo un átomo. Casi 60 años después, las actualizaciones del Telescopio Espacial Hubble están comenzando a sondear el medio circundante distante (CGM) y descubrir cómo su constante agitación crea o destruye galaxias.
Hasta hace poco, no habíamos podido observar verdaderamente la relación entre esta circulación de gas y las propiedades de la propia galaxia.
Con el primer estudio extragaláctico, los astrónomos están descifrando cómo el medio ambiente (CGM) controla la vida y la muerte de sus galaxias. Una nueva investigación teórica muestra que sin el loco flujo del medio, las estrellas en las galaxias tendrían disposiciones muy diferentes. Además, nuevas observaciones muestran que algunos medios circundantes (CGM) son sorprendentemente enormes. A través de nuevos telescopios y simulaciones por computadora, estamos obteniendo una mejor comprensión del medio ambiente (CGM), lo que podría cambiar la forma en que los científicos piensan sobre todo, desde las colisiones de galaxias hasta los orígenes de nuestros propios átomos.
Los investigadores utilizan fuentes de luz de fondo brillantes, como los cuásares, para aprender sobre el medio ambiental alrededor de las galaxias, las nubes difusas de gas y metales que las rodean (que se muestran en rosa). El gas circula entre las galaxias y el CGM.
Esperando al Hubble
Una actualización del Hubble en 2009 hizo posibles estudios del medio ambiente (CGM), pero esto casi nunca sucedió.
Casualmente, el principal proponente de Hubble fue también el primer astrónomo en descubrir cómo observar el medio circungaláctico (CGM). Después del descubrimiento de los quásares en 1963, Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton, John Bach del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, y otros astrónomos notaron algo extraño. Ahora se cree que estas brillantes balizas son discos calientes que rodean agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias distantes.
Los astrónomos ven lagunas en los espectros de los quásares por todas partes. Algunas longitudes de onda de luz no pueden atravesarlas.
En 1969, Spitzer y Bashir se dieron cuenta de lo que estaba sucediendo: la luz perdida estaba siendo absorbida por el gas en los bordes de la galaxia, lo que pasó a ser conocido como el medio ambiente (CGM). Los astrónomos han estado observando quásares, que brillan a través del medio circundante (CGM) como faros a través de la niebla.
Sin embargo, no había nada que hacer en ese momento. La atmósfera de la Tierra también absorbe las mismas longitudes de onda de luz, lo que dificulta saber qué átomos que bloquean la luz se encuentran en el medio circunferencial de la galaxia (CGM) y cuáles provienen de galaxias más cercanas. Saber que existe MCG es una cosa, medirlo requiere algo más.
Spitzer y Bashir sabían lo que necesitaban: un telescopio espacial que pudiera observar desde fuera la atmósfera terrestre.
Bashir nunca dejó de admirar al Hubble. Murió de una rara enfermedad sanguínea en febrero de 2005 a la edad de 70 años. Seis meses antes de su muerte, publicó un artículo en Los Angeles Times instando al Congreso a reanudar la financiación de la misión de reparar algunos de los viejos instrumentos del Hubble, que fue abandonada por la NASA tras la cancelación del accidente del transbordador espacial Columbia en 2003.
“No sólo está en juego una tecnología estelar, sino también nuestro compromiso con la búsqueda más fundamental de la humanidad: comprender el universo”, escribieron Bachir y sus colegas.
"Los descubrimientos más importantes del Hubble pueden ocurrir en el futuro."
Su petición fue respondida: en mayo de 2009, el transbordador espacial Atlantis restableció el telescopio Hubble para los astronautas. Durante el proceso de reparación, los astronautas instalaron el espectrómetro Cosmic Origins, que puede detectar gases del medio ambiente difuso (CGM) con una sensibilidad 30 veces mayor que cualquier instrumento anterior. Mientras que los espectrógrafos anteriores del Hubble detectaban los rayos de unos pocos quásares a la vez, el nuevo instrumento permite a los astrónomos buscar docenas de galaxias utilizando la luz de quásares más débiles.
Un equipo dirigido por Jason Tumlinson del Space Telescope Science Institute de Baltimore compiló un catálogo de 44 galaxias, incluido un cuásar, desde la perspectiva del Hubble. En un artículo de 2011 publicado en la revista Science, los investigadores informaron que cada vez que miraban una galaxia a 490.000 años luz de ella, veían puntos en blanco en el espectro cubiertos de luz absorbida por los átomos. Esto significa que el medio circundante (CGM) no es exclusivo de unas pocas galaxias, sino que está en todas partes.
El equipo de Tomlinson en los primeros años después de la actualización del Hubble. El equipo midió la masa y la composición química del medio circungaláctico (CGM) y descubrió que son vastos reservorios de elementos pesados. Sólo en oxígeno, el medio ambiente (CGM) contiene más de 654,38 millones de masas solares. En muchos casos, la masa del medio circundante (CGM) equivale a la masa de toda la parte visible de la galaxia.
El descubrimiento proporciona una respuesta a un misterio cósmico de larga data: ¿Cómo pueden las galaxias tener suficientes estrellas para formar combustible que dure miles de millones de años? Las galaxias forman estrellas a un ritmo constante a partir del colapso de nubes de gas frío. Por ejemplo, la Vía Láctea produce una o dos estrellas con una masa equivalente a la del Sol cada año. Pero en la parte visible de la galaxia, el disco que contiene las estrellas, no hay suficiente gas frío para soportar las tasas de formación estelar observadas.
"Creemos que el gas puede provenir del medio ambiente (CGM)", dijo Jessica Walker. "¿Pero cómo entra el gas en la galaxia, por dónde entra, la escala de tiempo de entrada y qué le impide entrar? Estas son grandes preguntas que nos mantienen despiertos por la noche".
Walker y Pi Puth se dio cuenta de que todas estas cualidades ayudaban a resolver otros dos problemas cósmicos de contabilidad. Todos los elementos más pesados que el helio se forman por fusión nuclear en el centro de las estrellas. Cuando las estrellas se quedan sin combustible y explotan como supernovas, dispersan estos metales y los incorporan a la próxima generación de estrellas.
Pero si sumaras todos los metales, el gas y el polvo de una estrella al disco de una galaxia, no sería suficiente para dar cuenta de todos los metales que la galaxia ha producido. Este desajuste empeora aún más si incluimos hidrógeno, helio, electrones y protones, básicamente toda la materia ordinaria que debería haberse acumulado en la Vía Láctea desde el Big Bang. Los astrónomos llaman a todos estos bariones. La galaxia parece haber perdido entre el 70 y el 95 por ciento de su masa.
Así que Walker y Peebles lideraron un esfuerzo integral para utilizar el nuevo espectrógrafo del Hubble para contar toda la materia ordinaria en unas 40 galaxias. Los investigadores publicaron dos artículos en el Astrophysical Journal en 2014.
En aquel momento, Walker informó que al menos la mitad de la materia ordinaria perdida por las galaxias se podía encontrar en su medio circundante (CGM). En una actualización de 2017, Walker y sus colegas descubrieron que la masa de bariones en forma de gas frío en el medio circungaláctico (CGM) puede acercarse a los 90 mil millones de masas solares. "Claramente, esta masa podría resolver el problema de la pérdida de bariones en la Vía Láctea", escribió el equipo.
Los investigadores formularon una hipótesis sobre dónde debería estar el material faltante e hicieron una predicción. El equipo probó estas predicciones mediante observaciones y encontró lo que buscaban.
En otro estudio, Peebles descubrió que aunque los metales nacen en los discos de las galaxias, no permanecen allí. Sólo entre el 20 y el 25 por ciento de los metales producidos por las galaxias permanecen en las estrellas, el gas y el polvo, y estos metales pueden incorporarse a nuevas estrellas y planetas. El resto puede acabar en el medio circundante (CGM).
"Si nos fijamos en todos los metales producidos por una galaxia a lo largo de su vida, hay más fuera de la galaxia que dentro de ella, y ese es un efecto enorme", dijo Tomlinson. >
Centro de reciclaje.
Entonces, ¿cómo entra el metal al medio circundante (CGM)? El espectro de los cuásares no ayuda a resolver esta cuestión. Su luz muestra que sólo un fragmento atraviesa una galaxia a la vez. Pero los astrónomos pueden rastrear el crecimiento y desarrollo de las galaxias mediante simulaciones por computadora basadas en las reglas físicas de cómo se comportan las estrellas y el gas.
Esta estrategia revela la naturaleza agitada y cambiante del gas en el medio circungaláctico (CGM). Estudios de simulación como "Evolución y ensamblaje de galaxias y sus entornos", iniciados por la Universidad de Leiden en los Países Bajos, han demostrado que los metales pueden llegar al medio circundante a través de la vida violenta de las estrellas: arrastrando un gran número de estrellas jóvenes con potentes vientos de radiación, y en la lucha a muerte de las supernovas Jet metal.
Sin embargo, una vez que los metales entran en el medio circundante (CGM), no siempre permanecen sin cambios. En las simulaciones, las galaxias parecen utilizar el mismo gas una y otra vez.
“Básicamente es solo gravedad”, dijo Peoples. “Lanza una pelota de béisbol allí y volverá al suelo”. Lo mismo ocurre con el gas que fluye fuera de una galaxia: a menos que el gas se esté moviendo. lo suficientemente rápido como para escapar del límite gravitacional de las galaxias. De lo contrario, estos átomos eventualmente regresarían a la galaxia y formarían nuevas estrellas. "
Algunas simulaciones muestran que paquetes discretos de gas se propagan desde el disco galáctico hacia el CGM y regresan varias veces. El CGM y sus galaxias son dispositivos de reciclaje gigantes.
p>Esto significa que los átomos que forman los planetas, las plantas y las personas pueden haber entrado en la galaxia muchas veces antes de convertirse en parte de nosotros, y que los átomos que eventualmente se convirtieron en parte de ti viajaron a través de cientos de miles de luces. >"Eso es lo que más me gusta", dijo Tomlinson. "En cierto modo, hay carbono, oxígeno, nitrógeno y hierro, todo en el espacio intergaláctico".
Cómo mueren las galaxias
. No todas las galaxias pueden recuperar el gas medio circundante. La pérdida del gas puede detener permanentemente la formación de estrellas en la galaxia. Pero la respuesta puede estar en el medio circunferencial (CGM). Principales tipos de galaxias: galaxias espirales jóvenes que están formando estrellas y galaxias viejas que están muriendo de estrellas.
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Tomlinson dijo: "Cómo se apagan las galaxias y por qué permanecen así es uno de. las cuestiones más importantes en el proceso de formación de galaxias. Esto sólo está relacionado con el suministro de aire. ”
Utilizando la luz emitida por los quásares, los investigadores pueden “ver” los CGM. En este ejemplo, a los espectros de dos galaxias, G1 y G2, les faltan algunas longitudes de onda en las que los átomos de CGM absorben luz (rojo, en (). en el cuadro inferior).
Un artículo publicado anteriormente planteó la posibilidad de que chorros de gas calentados por supernovas pudieran ser arrancados de las galaxias. Chad Bustard y sus colegas simularon la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea. Way, y descubrió que el gas que fluye fuera de esta pequeña galaxia fue arrastrado por la ligera presión del movimiento alrededor de la Vía Láctea.
O, el gas en el medio circundante de la galaxia muerta (CGM) puede ser. demasiado caliente para hundirse en la galaxia para formar estrellas. De ser así, la galaxia en formación debería tener un medio circundante (CGM) lleno de gas frío, mientras que la galaxia muerta debería estar cubierta de gas caliente. el disco galáctico como un globo aerostático, que sería demasiado flotante para hundirse y formar estrellas.
Pero el Hubble vio lo contrario en las galaxias Oxígeno VI: el gas está muy caliente (1 millón de grados Celsius). o superior) que los átomos de oxígeno han perdido sus cinco electrones originales
En 2016, el astrofísico computacional Benjamin Oppenheimer, de la Universidad de Boulder, propuso una solución: la galaxia "muerta" no se vio privada de oxígeno. todo; el gas estaba demasiado caliente para que el Hubble pudiera observarlo. Hay aún más oxígeno alrededor de las galaxias.
Todo este gas caliente podría explicar la muerte de estas galaxias, excepto que estas galaxias también están llenas de gas frío. a partir del cual se forman las estrellas.
Tomlinson dijo: "Aún hay suficiente combustible en el tanque de combustible de la galaxia muerta. No sabemos por qué no lo usan. Todo el mundo está persiguiendo esta pregunta. ”
Hasta hace poco, los observadores no podían mapear el medio circundante (CGM) de las galaxias individuales. Los investigadores tenían que sumar docenas de haces de cuásares para tener una idea promedio de su composición.
Los equipos que utilizan dos nuevos espectrógrafos, el Keck Cosmic Network Imager (KCWI) en el Telescopio Keck en Hawaii y el Detector Espectroscópico de Unidades Múltiples Muse en el Very Large Telescope en Chile, están compitiendo para cambiar eso. Estos instrumentos, conocidos como espectrógrafos de campo integrados, pueden leer el espectro de una galaxia entera simultáneamente. Con suficiente luz de fondo, los astrónomos ahora pueden examinar todo el medio circundante (CGM) de una sola galaxia. Finalmente, los astrónomos tienen una manera de probar teorías sobre cómo circula el gas dentro y fuera de las galaxias.
Un equipo de investigación chileno dirigido por el astrónomo Sebastián López de la Universidad de Santiago en Chile y sus colegas utilizaron Muse para observar una galaxia pequeña y oscura que se encontraba intercalada entre una brillante, entre galaxias distantes y un grupo grande. de galaxias más cercanas a la Tierra. Los cúmulos de galaxias actúan como lentes gravitacionales, distorsionando las imágenes de galaxias distantes en un arco largo y brillante. La luz de este arco pasa a través del medio circunferencial (CGM) de la galaxia sándwich en 56 puntos diferentes (que el equipo llama G1).
Sorprendentemente, el CGM de G1 no es estable ni tan fluido como se esperaba. "La gente siempre piensa que el gas está distribuido uniformemente en todos los sistemas. Ese no es el caso", dijo López.
La luz de la galaxia fuente es desviada y amplificada por el cúmulo de galaxias en el medio, creando el extremo derecho. proyección El arco brillante que se ve en la imagen. A diferencia de los estrechos haces de los cuásares, los amplios arcos iluminan la mayor parte del CGM de la galaxia G1, mostrando detalles sorprendentes.
Mientras tanto, el equipo de Peebles está reexaminando cómo las computadoras representan medios ambientales (CGM). "El medio circungaláctico no se resuelve bien en las simulaciones", dijo. "Las simulaciones existentes coinciden muy bien con las propiedades visibles de las galaxias: sus estrellas, el gas entre las estrellas y la forma y el tamaño generales. Pero no lo hacen en absoluto. todo." Las características del medio galáctico no se pueden reproducir."
Por eso está ejecutando un nuevo programa de simulación llamado FOGGIE, que observa el medio circundante por primera vez. "Descubrimos que cambió todo", dijo. "La forma, la historia de la formación estelar e incluso la orientación de la Vía Láctea en el espacio parecen diferentes."
En resumen, nuevas observaciones y simulaciones muestran el papel del medio circundante en el ciclo de vida de las galaxias subestimado . Teóricos como Peebles y observadores como O'Meara están colaborando para hacer nuevas predicciones sobre el surgimiento de los medios ambientales. Luego, los investigadores examinarán galaxias reales para ver si coinciden.
Si bien los estudios futuros de la Vía Láctea se centrarán en recopilar espectros del medio circundante intacto, Tomlinson espera poder extraer aún más información del Hubble. Hubble permite estudiar el medio circundante, pero el telescopio tiene 28 años y puede que le queden menos de 10 años. Hubble sigue siendo la mejor herramienta para observar algunos de los átomos del medio circundante, ayudando a revelar los secretos de los halos gaseosos.