La historia de las galaxias ha sido una serie de preconcepciones que han ido cayendo una tras otra, y los más recientes trabajos sobre el tema sugieren que las ciencias que se articulan para su estudio pueden esperar todavía más. El origen y desarrollo de las galaxias es una cuestión bastante compleja que, a su vez, genera uno de los problemas que se enfrenta la teoría del Big Bang. Observamos un universo contemporáneo muy poco homogéneo y de aspecto granulado. La densidad media de las galaxias es significativamente superior que las del espacio que las separa, alrededor de un millón de veces. Existen grandes variaciones entre las temperaturas del cosmos: el fondo del cielo está a 2,7º K, mientras que ciertos núcleos estelares alcanzan varios miles de millones de grados. Todo esto no refleja la situación del universo primigenio. El cocimiento primitivo es de que éste era extremadamente isotermo. De ello nacen una multiplicidad de interrogantes. La primera que se me viene es ¿Cómo pasó el universo del anterior estado homogéneo al actual observado muy poco homogéneo? ¿Cómo es que se fueron formando las galaxias en medio de la cazuela primigenia o primordial? ¿Por qué se formó la grumocidad que se observa en el espacio primario? Muchas de estas interrogantes -no todas- han sido fundamentales para que encuentren cabida nuevas teorías, no solamente para explicar el origen de las galaxias, sino que también el del mismísimo universo.
En el marco de la teoría del Big Bang, las semillas de las galaxias fueron sembradas cuando tiempo, espacio, energía y materia estallaron en una gran explosión hace unos 15.000 millones de años. Los físicos sólo pueden especular acerca de la dinámica y la distribución de la materia primigenia, pero una cosa es virtualmente cierta: el universo hoy, se encuentra en partes cubierto por grande acumulaciones de gases o estrellas, como si flotaran dentro de un espacio de apariencias oscuras, y que se encuentran flojamente unidas por la fuerza de la gravedad. Fue de esas crisálidas cósmicas –llamadas protogalaxias– de donde han emergido las bellas 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 actor para que se formen esos objetos en el espacio. Un grumo primordial genera una atracción. La materia de su alrededores reacciona juntándose aumentando su masa e incrementando la gravedad. Este proceso se amplifica por sí mismo, al igual 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 y, si se quiere, con agujeros negros incluidos en sus núcleos centrales. A este modelo de explicación sobre el origen de las galaxias se le suele llamar «modelo de jerarquía gravitacional».
En el proceso que hemos descrito para el embrionaje de las galaxias en el universo es necesario hacer una precisión. No existía ninguna posibilidad de que aquello 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 la 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. Un escenario verosímil, para darle cabida a nuestra teorización anterior, lo podemos describir dándole trabajo a nuestra imaginación. Pensemos que la materia primigenia haya albergado pequeñas fluctuaciones de densidad (espacios donde la densidad es un poco más elevada que la media). Aquellos espacios más densos, en consecuencia, con una mayor gravedad, atraen a la materia circundante. Ésta, primero se les aproxima y, luego se les une, lo que incrementa sus volúmenes de densidad como asimismo sus capacidades de atracción. Se trataría de un efecto semejante al de la «bola de nieve», en el cual los espacios más densos vacían progresivamente las regiones más livianas, acentuando continuamente los contrastes de densidad de la masa de la material primigenia. Serían los causantes del nacimiento de todas las grandes estructuras que cohabitan el universo.
La presencia de esos espacios embrionarios debería manifestarse dentro de un plazo breve en la evolución del universo. Sus huellas deberían ser distinguibles en la radiación cósmica de fondo uno de los problemas que siempre rondaba a la teoría del Big Bang. En marzo de 1992, el satélite norteamericano denominado COBE detectó las primeras evidencias de disparidad térmica en la radiación cósmica. En ello, por fin, se logra distinguir variaciones de temperatura, al nivel de una parte por cien mil. Se había encontrado los gérmenes de las grandes estructuras del cosmos. Si el fluido hubiese sido más homogéneo, un problema significativo estarían abordando los teóricos. En principio, esta idea aparece bastante encajable, ya que entrega una explicación adecuada para la generación de las galaxias en el espacio intergaláctico y, por ende, también la aparición de las estrellas en las galaxias. Pero hay un problema… Cómo se genera en el universo primigenio espacios de inhomogeneidades más densos. Se trata, por ahora, de un problema sin recursos para enfrentarlo.
Retomemos el computador y sometamos al modelo de jerarquía gravitacional a simulaciones de cúmulos irregulares en un universo en expansión. Dispongamos en posiciones iniciales 10 mil a 10 millones de puntos de masa, cada uno en representación de una galaxia o porción de una galaxia; programemos una velocidad centrífuga inicial correspondiente a la expansión del universo, y dejemos que interactúen mediante su gravedad mutua. Agreguemos materia oscura y materia faltante, conformando alguna fracción supuesta de la masa total y distribuyéndola de alguna forma también supuesta. Veremos que las hipotéticas galaxias se desplazan por la pantalla del monitor del computador, gravitando una hacia la otra y formando aglomeraciones, cúmulos y vacíos. Ahora, añadamos los efectos de la presión del gas a estas simulaciones computacionales. A continuación veremos que tales efectos –que surgen, en parte, de que las galaxias individuales no constituyen puntos de masa sino que tienen una extensión finita en el espacio– son relevantes sobre distancias de 100 millones de años luz, y menores. Sobre los cálculos de este escenario computacional, también se puede llegar a concluir que los cúmulos irregulares de materia inicialmente inferiores a unas mil veces la masa visible de una galaxia no son capaces de mantenerse unidas bajo los efectos de la radiación.
Otra de las tesis sobre el origen de las galaxias que también se estudia con el objetivo de arribar a una conclusión es la que se denomina el «modelo panqueque», desarrollado en Moscú a comienzos de la década de 1970 por Y. B. Zel'dovich, A. G. Doroshkevich y otros. En este modelo, los primeros cúmulos irregulares de masa que comenzaban a formarse eran muy grandes y, por supuesto, había muchos. A medida que se enfriaban iban colapsando bajo su propio peso, y la desintegración tendía a ser más rápida en una dirección. El resultado sería un delgado panqueque de gas, que luego se dividiría en múltiples fragmentos, cada uno de los cuales constituiría una galaxia individual. En esta imagen, las galaxias tenderían a estar distribuidas en capas, siguiendo la forma de su nube de gas materna. La tesis de la jerarquía gravitacional es un modelo de abajo hacia arriba para la formación de estructuras cósmicas, en que primero se forman pequeños cúmulos irregulares de materia que van creciendo cada vez más. En el modelo del panqueque, por el contrario, primero se forman grandes condensados de materia que luego se dividen en estructuras más pequeñas. En otras palabras, primero galaxias y después cúmulos o primero cúmulos y después galaxias.
Ahora bien, cualquier modelo sobre la formación de estructuras debe explicar la distribución observada de las galaxias. En especial, los cosmólogos deben explicar por qué muchas galaxias están situadas en capas relativamente delgadas (aquí, «delgadas» significa que el ancho es muy inferior a la altura o la profundidad, a pesar de que ese ancho pueda ser de un millón de años luz). El modelo del Big Bang supone que la gravedad es la fuerza principal para determinar la evolución y la estructura del universo. Y la opinión convencional sostiene que la gravedad produce por sí misma rasgos que varían con fluidez en las localizaciones de las masas, con anchos, alturas y profundidades comparables para cualquier agrupamiento de galaxias. Según esta perspectiva, se necesitan otros fenómenos físicos o condiciones iniciales especiales para obtener características definidas en la distribución de la masa, como las cuerdas o las capas delgadas de galaxias.
También a través de las simulaciones computacionales se demuestra que las características definidas pueden en efecto presentarse si las inhomogeneidades iniciales son suficientemente pronunciadas en fragmentos pequeños y distancias breves. Lo anterior, dio cabida para desarrollar otra versión del modelo de jerarquía gravitacional, a través de la utilización de varios millones de puntos de masa, a la cual se ha denominado «modelo de la materia oscura fría». El modelo de la materia oscura fría, que intenta explicar la formación de galaxias y otras estructuras de gran escala, se basa en el modelo del universo inflacionario (lo veremos en un capítulo posterior), que exige que W sea igual a 1 y que especifica las inhomogeneidades iniciales en el universo recién creado. El nombre del modelo proviene del supuesto que las partículas de materia oscura -cualquiera sea su naturaleza- se desplazan lentamente, es decir están frías, y por ello son fácilmente desviadas por la gravedad. Muchos teóricos que trabajan en el problema del origen de las galaxias y de la estructura en gran escala del universo han adoptado el modelo de la materia oscura fría como punto de partida.
Sin embargo, las observaciones no han sido un buen aliado de este modelo, ya que de ellas se extraen más de un argumento como para dudar de su viabilidad. Del catastro confeccionado sobre unas dos mil galaxias en el cual se combinan la información del desplazamiento al rojo, la posición tridimensional y una amplia cobertura del cielo, se infiere la existencia de más aglomeraciones de galaxias en escalas que superan por 30 millones de años luz lo que puede explicar el modelo de la materia oscura fría. Estas observaciones de inhomogeneidades sustanciales en gran escala vienen a ratificar trabajos anteriores de descubrimientos de cúmulos de galaxias a escalas de varios cientos de millones de años luz, que muestran mayor acumulación que la que podría explicar el modelo de la materia oscura fría. También el descubrimientos de El Gran Atractor, comprende inhomogeneidades de masa en escalas para las que el modelo de la materia oscura fría ya no es válido. Considerando todas estas observaciones, es legítimo pensar que este modelo está hoy en serias dificultades.
Un enfoque más nuevo sitúa a las llamadas supercuerdas en el centro de las turbulencias que dan nacimiento a las protogalaxias. Aunque nunca se han podido observar, pero existen algunas evidencias indirectas como para dar la cabida a que podrían haber existido, las supercuerdas se encuentran insertas en las predicciones del Big Bang. En teoría, son filamentos residuales de los instantes primarios del universo que podrían haber tenido la forma de invisibles rizos o bucles vibrantes muy pequeños pero con una enorme cantidad de energía almacenada en ellos. Puesto que las cuerdas no se habrían expandido con el resto del universo, serían increíblemente densas y masivas, con un peso que un trocito de un centímetro de largo y una trillonésima del grueso de un protón pesaría tanto como un macizo cordillerano. Lo más importante es que oscilarían a velocidades cercanas a la de la luz, perdiendo tanta energía que acabarían disolviéndose. Esta emisión de energía pudo crear ondas de choque que luego comprimieran los gases circundantes, haciendo que se formaran cúmulos estelares y protogalaxias.
Las galaxias remotas nubes de gas primordial (espiraladas unas, elípticas otras) son sistemas estelares externos, muchas muy semejantes a la Vía Láctea, son el crisol para la formación de estrellas, planetas, la materia y el mismísimo tiempo. Otro enfoque nuevo sobre el origen de las galaxias es aquel que sitúa a los agujeros negros como responsables de la formación de éstas en el universo, es lo último que circula dentro del ámbito de las ciencias del cosmos. Como partida para formular esta nueva idea se retoma, en parte, la hipótesis sobre la posible existencia de agujeros negros en el núcleo de las radiogalaxias y de conjeturas que se pueden extraer de los estudios y análisis de las últimas observaciones que se han realizado a los quásares que se han podido ubicar en el cielo. En la conferencia N° 189, celebrada en enero de 1997, de la Asociación Astronómica Americana, un grupo de científico planteó que los gérmenes de las galaxias no nacen simultáneamente, en un pasado de 15.000 millones de años, a partir de un misteriosa explosión de energía concentrada en un punto infinitesimal de la nada. Consideran que el hecho de haber concitado una aceptación mayoritaria el origen del universo a partir de un átomo primigenio sólo ha servido para opacar controversias más racionales, como el porqué de ese estallido o hasta dónde era fiable tan rotunda perspectiva. Para ellos, los gérmenes de formación de galaxias corresponden a una recreación de formación continua y que no se cocinaron todos de golpe en una fragua cósmica de hidrógeno y helio. Su formación se debería a un proceso prácticamente permanente pero con chispazos dispares, como ocasionales chisporroteos de un leño ardiente o explosiones aleatorias semejantes a la de los fuegos de artificio. Ello explicaría la distinta densidad que se observa en las galaxias y la factibilidad de que exista un masivo agujero negro, casi, en cada núcleo de los centros de cada una de ellas. Pero esta propuesta va más allá de una nueva explicación para la formación de las galaxias. En efecto, ella conlleva más de una implicancia cosmológica. Calculan que esta versión explicativa, que es parte de otras propugnaciones que conforman una versión alternativa al «viejo Big Bang», abarcó un período de miles de millones de años, un tiempo tan extenso como la mitad de la edad que se ha estimado para el universo en función del modelo del Big Bang.
Las evidencias más serias sobre la posible existencia de los agujeros negros se han encontrado en el centro de nuestra propia Vía Láctea. En efecto, los astrónomos alemanes Andrea Eckart y Reinhard Genzel del Instituto de física Max Planck, en octubre de 1996, anunciaron que habían registrado una seria evidencia sobre la posibilidad de la existencia de un agujero negro en el centro del núcleo de la galaxia. Un equipo de astrónomos liderados por Genzel monitoreó los movimientos de 39 estrellas cercanas al núcleo galáctico con el objeto de estudiar cual era la naturaleza de sus movimientos que desarrollaban alrededor del centro de la galaxia. El equipo logró determinar que esas 39 estrellas comportaban un movimientos circular entorno al núcleo de la galaxia, lo que invita a pensar en la existencia de un objeto tremendamente masivo en el centro. Si las órbitas que describen esas estrellas fueran irregulares, entonces estaríamos pensando en la existencia de un objeto central de características poco masivas. El comportamiento gravitatorio de esas 39 estrellas, permite determinar que éstas orbitan un objeto de una masa aproximada de 2,5 millones de veces mayor que el Sol. Este objeto, se encuentra cerca de una fuente poderosa de radio, que se le conoce como Sgr Un+ y ello, puede ser considerado de hecho, como una muy buena adicional evidencia para estimar que el objeto que condiciona el comportamiento gravitatorio de esa estrellas cercanas al centro galáctico es un masivo agujero negro.
Por otra parte, recientes observaciones astronómicas permiten pensar de que se estaría confirmando la creencia de que los quásares son un fenómeno transitorio que le ocurre al núcleo, la parte central, de alguna galaxia, que los lleva a aumentar tremendamente su luminosidad, superando ampliamente a la de la galaxia entera. Se cree que por colisiones estelares y aglomeraciones de materia en el centro mismo de la galaxia, se puede ir condensando materia en gran cantidad, y que llegado el caso, la fuerza gravitatoria de ella no puede ser equilibrada con ninguna fuerza conocida en el universo y ese objeto masivo del núcleo colapsa para formar un agujero negro. Describir a los quásares en lo forma como lo hemos hecho anteriormente, como si en el fondo fueran una especie de aglomeración de materia estelar ardiendo como tizones en la boca de un agujero negro, no basta para entender qué son. Las observaciones recientes dan cabida para pensar que los quásares podrían ser galaxias jóvenes o en formación y, por lo consiguiente, como se estaría pensando como una generalidad para casi todas las galaxias, éstos comportarían un núcleo supermasivo en su interior: un agujero negro hecho de restos de millones de estrellas, y devorando todavía el material suelto que se encuentra disperso que al caer en sus fauces emite un haz suprabrillante que, sin embargo, la luz de él que llega a la Tierra es debilísima, tanto que los antiguos telescopios tenían serias dificultades para detectarla. Pero los quásares en sí despiden fuertes ondas luminosas a través del espacio, parte de sus rayos son absorbidos por nubes de gas que están en su ruta. Esto fue lo que hizo que teóricos como Arthur Wolfe, de la Universidad de California, pensaran en usar a los quásares como si fueran faros o linternas para ubicar posibles focos de formación de protogalaxias. Tesis que confirmó el astrónomo Charles Steidel en el año 1991, con sus trabajos realizados en Chile al descubrir veinte potenciales galaxias bebés, llegándose a la fecha a una cantidad que supera las ciento cincuenta en diferentes fases de evolución.
PUBLICADO POR:
ACUÑA REY ANDRES EDUARDO
C.R.F
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