La galaxia Salchicha

Las galaxias no fueron siempre gigantes, como la Vía Láctea, la de Andrómeda, Centaurus A o Messier 87. Como ya hemos contado, fueron creciendo al chocar entre sí y fusionarse, algo que sigue ocurriendo. ¿Cómo habrá sido la historia del crecimiento de la Vía Láctea? Los astrónomos tratan de desentrañarlo revisando el movimiento de grandes poblaciones de estrellas, algo que recién ahora es posible gracias a las mediciones del telescopio espacial Gaia, de la Agencia Espacial Europea. La mezcla de las estrellas "canibalizadas" es gradual, de manera que se las puede identificar aunque hayan pasado miles de millones de años de la colisión que desintegró la galaxia de la que provenían.

Y no sólo estrellas. La semana pasada mostré una foto de la Nube Menor de Magallanes, en la que veíamos varios de sus cúmulos globulares. A medida que la Vía Láctea fue absorbiendo a sus galaxias satélites, los cúmulos globulares (similares a los de la Nube Menor) no se desarmaron, y pasaron a integrar la población de globulares de la Vía Láctea. También ellos tienen movimientos peculiares (y composición química) que los delata. Uno de ellos es éste, NGC 5286:

Es un lindo cúmulo para observar en la constelación del Centauro, especialmente porque contrasta su multitud de estrellitas con la mucho más cercana estrella M Centauri, que está a apenas a 4 minutos de arco de él en el cielo. Claro que el cúmulo está a 36 mil años luz, en el halo de la galaxia, mientras que M Cen está a sólo 260 años luz, en el disco. 

NGC 5286 ha sido identificado como perteneciente a una galaxia satélite grandecita (tipo Nube Mayor de Magallanes, ponele) llamada "la Salchicha de Gaia". La colisión de la galaxia Salchicha fue derecho por el medio de la Vía Láctea, de manera que sus estrellas, hasta el día de hoy, tienen velocidades que apuntan fuertemente en la dirección radial, y tienen órbitas muy elongadas. Imaginen la diferencia entre las órbitas de los cometas del sistema solar (muy elongadas) y las de los planetas (bien redonditas, como también es la órbita del Sol en la galaxia). El nombre de la galaxia viene justamente del aspecto de sus estrellas cuando se grafican las velocidades en un diagrama de velocidades como éste:

Es un esfuerzo de imaginación, ya sé. Pero el nombre pegó. La Salchicha habría colisionado hace mucho tiempo, tal vez 8 mil millones de años o más, contribuyendo con una cantidad significativa de estrellas y gas a la (entonces) joven Vía Láctea. Hay otro cúmulo, en Carina, que ha sido identificado como su posible núcleo: NGC 2808. Es extremadamente pesado y grande, un rival de Omega Centauri, sólo que mucho más lejano y por eso menos vistoso en el cielo. No tengo fotos, pero he aquí una del Hubble:

Y otro posible cúmulo que heredamos de la Salchicha es uno que mostré la semana pasada, NGC 362, el "otro" globular vecino a la Nube Menor de Magallanes:

Se cree que la colisión con la Salchicha fue la últma colisión "grande" de la Vía Láctea, pero un paper de hace pocos días sostiene que hubo otra más reciente. Esta arqueología galáctica se está desarrollando rápidamente (y Gaia sigue midiendo), así que se están detectando nuevas poblaciones y reclasificando algunas. NGC 5286, por ejemplo, también ha sido clasificado como perteneciente a una colisión más reciente, llamada Pontus. Lo que sí es seguro es que viene de otra galaxia. Qué cosa extraordinaria, ¿no?

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El paper original de la galaxia Salchicha creo que es: Belokurov et al., Co-formation of the disc and the stellar halo, MNRAS 478, 611–619 (2018). El gráfico anotado con la Salchicha es de la nota de prensa de Carnegie Melon, que adapta una figura del paper. 

La identificación de NGC 5286 es otro paper del mismo grupo: Myeong et al., The Sausage globular clusters, ApJL 863:L28, (2018). Hay otro, de este año: Belokurov et al., In-situ versus accreted Milky Way globular clusters: a new classification method and implications for cluster formation, MNRAS 528, 3198–3216 (2024).

La reclasificación de NGC 5286 como miembro de la galaxia Pontus está en: Malhan, A New Member of the Milky Way’s Family Tree: Characterizing the Pontus Merger of Our Galaxy, ApJL 930:L9 (2022).

La foto de NGC 2808 es de NASA/ESA/STSci/Hubble. Las demás son mías.

A los pies del Tucán

De un lado de la Vía Láctea están el Cuervo y la Hidra (cuya simpática historia ya hemos contado), y del otro están el Tucán y la Hidra Macho. Curioso lo de "macho", ya que la hidra es un animal no binario. Pero en fin, la constelación es Hydrus, la Hidra Macho. Ambas son constelaciones intrascendentes, cuyas estrellas más brillantes no alcanzan ni la magnitud 3. Pero en la frontera entre ambas... ¡ah!

En la frontera están estas dos maravillas del cielo austral: la Nube Menor de Magallanes (galaxia satélite de la Vía Láctea) y el cúmulo globular NGC 104, más conocido como 47 Tucanae (acento en la primera a). Esta linda foto también es de la noche del airglow. Y justamente, en la foto del verde brillo del aire, se lucen ambas galaxias satélites (la nube menor es la de abajo, la de arriba es la mayor, cuya propia foto ya comenté):

Es interesante notar la diferencia de color entre las estrellas de la Nube Menor (azules) y el cúmulo globular (blancas y rojas). Delata las distintas edades de ambas poblaciones estelares. Las estrellas más azules son en general más jóvenes, y nos muestran que la Nube, a pesar de ser una galaxia mini, tiene la dinámica de las galaxias más grandes, con generación constante de estrellas nuevas. El cúmulo globular, en cambio, tiene una población de estrellas antiguas: tuvo estrellas jóvenes, brillantes y azules hace miles de millones de años, pero ya explotaron o evolucionaron, cambiando el color del conjunto hacia el rojo. 

47 Tuc es un cúmulo extraordinario, el segundo más brillante del cielo (tras Omega Centauri). Ninguna foto le hace justicia: es notable con binoculares, y con cualquier telescopio te vuela las medias. A 15 mil años luz, es uno de los más cercanos al sistema solar, y con un diámetro de 120 años luz y la masa de 700 mil soles, es uno de los más grandes de la Vía Láctea. Si se fijan, hay otro cúmulo globular, cerca del borde inferior de la foto, NGC 362:

Se lo ve como una versión en miniatura de NGC 104. Si estuviera en otra parte del cielo, sería él mismo un objeto notable. Después de todo, no es mucho más chiquito que M 13, que los aficionados del hemisferio norte llaman pomposamente "el Gran Cúmulo de Hércules" (pobres, no saben lo que es un buen cúmulo globular). Pero aquí, entre su hermano mayor y la mini-galaxia, pasa casi desapercibido.

En la foto marqué otros objetos. Si uno los mira con cuidado (sobre todo en la versión a máxima resolución, que no es la que está insertada acá), tienen también ellos pinta de cúmulos globulares. ¡Y varios lo son! Son cúmulos globulares de la Nube Menor, que como toda galaxia, tiene su propia población de globulares. Pero los dos más brillantes no son globulares: NGC 330 es un cúmulo abierto inmenso (50 mil masas solares) de estrellas jóvenes (no más de 40 millones de años). Y NGC 346 es más joven todavía, ya que lo vemos envuelto en la nebulosa que le dio origen (que tiene su propio nombre, N 66). Es una región de formación estelar enorme, comparable a la Nebulosa de Carina en nuestra propia galaxia: 200 años luz de diámetro, con más de 300 estrellas masivas (decenas de ellas de la rara clase O), algunas de apenas 2 millones de años de edad. Hay una foto notable hecha con el telescopio de 2.2 m de La Silla (que recomiendo ir a ver en máxima resolución):

Pero los otros: NGC 416, 411, 121 y 339, sí son cúmulos globulares de la Nube Menor. Todos ellos se encuentran a unos 190 mil años luz de distancia, y por eso se ven apenas como manchitas en mi foto (tomada a través de una lente de 200 mm). NGC 339 fue fotografiado exquisitamente por el telescopio espacial Hubble, quien lo vio con mucho más detalle:

Es un cúmulo raro, hay que decir. Su edad calculada es de 6 mil millones de años. Es antiguo, como corresponde a un globular, pero no tan antiguo como la inmensa mayoría de los globulares conocidos, de nuestra propia galaxia y de otras, que tienen 10 a 12 mil millones de años (sí: los globulares son antiguos como las galaxias). Pero algo pasó hace 6 mil millones de años que fabricó algunos globulares más, ya que NGC 339 no es el único con esa edad. Qué cosa, ¿no?

Hice un recorte alrededor de 47 Tuc en más resolución, para mostrar otros dos objetos interesantes (el recorte está rotado con respecto a la foto de arriba):

A la derecha está NGC 121, uno de los globulares de la Nube Menor, ya mencionado. Y a la izquierda, ahora etiquetado ESO 28-19, está el objeto que en la imagen de arriba marqué LEDA 260239. LEDA es un catálogo de galaxias. Me parecía raro que de la "galaxia" LEDA 260239 no hubiera ninguna información, ni nada publicado, siendo que en muchas fotos se distinguen estrellas individuales. Yo la miraba y la miraba, y me parecía un cúmulo globular (hay una foto extraordinaria de Germiniani en Astrobin, que no quiero reproducir sin autorización, donde NGC 121 y LEDA 260239 se ven casi idénticos). Finalmente localicé este otro nombre de catálogo, ESO 28-19, que lo identifica como cúmulo globular. Es un error de catálogo LEDA; en el servicio del CDS se ve que son el mismo objeto:

Ahora no tengo dudas de que es un cúmulo globular de la Nube Menor. Sus estrellas tienen la misma velocidad de 135 km/s alejándose de nosotros, comparable a la de los otros globulares y a la de la Nube misma. Encontré un estudio sobre él, y también tiene la rareza de tener una edad de unos 6 mil millones de años. Usaron unas fotos tomadas por el telescopio Hubble, pero como no había ninguna publicada para difusión, fui a buscarlas al catálogo MAST (extraordinario, les dejo el link por si no lo conocen). Son dos exposiciones de 1900 segundos, una en verde y otra en infrarrojo. Las combiné para hacer una imagen en pseudo color. No tiene ningún otro embellecimiento, y se ven muchos defectos de las imágenes crudas:

Ahí está: es un cúmulo globular, no hay más que decir. Por supuesto, como en toda imagen del Hubble, si uno rebusca encuentra curiosidades. Esta es la que más me gustó (cerca del ángulo inferior izquierdo en la foto de arriba):

Una encantadora galaxia espiral de canto, como nuestra propia Vía Láctea, y otra galaxita que bien podría ser su satélite, como nuestra Nube Menor de Magallanes. Ambas tendrán sus propias poblaciones de cúmulos globulares como los que hemos repasado aquí. ¿Habrá alguien allí blogueando sobre ellos?

 

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Las fotos mías son mías. Las que no son mías son las de NGC 346 (ESO), NGC 339 (NASA/ESA/STScI/Hubble) y ESO 28-19 (NASA/ESA/STScI/Hubble).

La órbita de Proxima

Ya que venimos hablando de las estrellas más lejanas visible a simple vista y visible con telescopios, ocupémonos de la más cercana, que está mucho mejor definida. Hace más de 100 años el astrónomo escocés Robert Innes, del Observatorio de Johannesburg, descubrió una estrella insignificante que tenía el mismo movimiento propio (vale decir, el lento movimiento en el cielo con respecto a las estrellas "fijas") que Alpha Centauri, la estrella más cercana al sistema solar y tercera estrella más brillante del cielo. Propuso que se trataba de una estrella del mismo sistema, la tercera, ya que la que llamamos alpha son dos estrellas muy similares, en órbita una alrededor de la otra, fácilmente distinguibles a través del telescopio.

Como había otra estrellita junto a ella, Innes aprovechó para medir su paralaje: el cambio de perspectiva con el que vemos la estrella a medida que la Tierra se mueve alrededor del Sol. El resultado permite calcular la distancia, usando geometría elemental. Le llevó un año de observación paciente, y el resultado fue de 0.82" (segundos de arco, como distinguir un pelo a 20 metros). Como la paralaje de Alpha Cen era 0.759", la nueva estrella estaría un poco más cerca. Así que recomendó llamarla Proxima Centaurus; parece que Innes no dominaba los genitivos latinos. Hoy le decimos Proxima Centauri, y es efectivamente la estrella más cercana al sistema solar, y lo será por muchos años más. 

Curiosamente, como se ve en la foto de acá arriba, Proxima (marcada en naranja) está bastante lejos de Alpha Cen AB (marcada en amarillo) en el cielo, un poco más de 2 grados. Estos es muy distinto de lo que ocurre con las estrellas múltiples habituales, que generalmente vemos juntitas a través del telescopio con un campo de algunos minutos de arco de ancho. Alpha Cen A y B, por ejemplo, están a apenas 5 segundos de arco de separación. ¡Dos grados son cuatro lunas! A la distancia de 4 años luz a la que se encuentran de nosotros, la separación entre Proxima y Alpha sería: 2 × pi / 180 =  0.035 radianes, por 4 años luz, son 0.14 años luz, casi 9000 unidades astronómicas, o sea 200 veces la órbita de Plutón o 20 la de Sedna. Está tan lejos que, durante 100 años, persistió la duda de si Proxima estaba realmente en órbita de Alpha Centauri, o si estaba casualmente cerca pero sin formar parte del sistema.

La cuestión se zanjó satisfactoriamente recién hace muy poco. La principal incerteza estaba en la velocidad radial de las estrellas, es decir la velocidad con que se mueven hacia nosotros, que es mucho más difícil de medir que el movimiento hacia los lados. Usando el extraordinario espectroscopio HARPS, montado en el telescopio de 3.6 m del Observatorio Europeo Austral en La Silla, pudieron medir con enorme precisión esa velocidad, y calcular el movimiento de las tres estrellas en el espacio, en 3D. HARPS hace unos espectros de tanta resolución que no caben en una línea, y salen del instrumento cortados en renglones, así:

Muestro un pedacito, para que vean las marquitas oscuras (las líneas espectrales) que corresponden a la composición química de la estrella, y cuya comparación con las mismas, medidas en laboratorio, permiten medir la velocidad:

El resultado es que Proxima efectivamente está ligada (así se dice) a las otras dos estrellas, Alpha Centauri A y B. Para escapar de su gravedad tendría que tener una velocidad, con respecto a ellas, de 545 m/s. La velocidad relativa medida es de 273 m/s, así que no puede escapar, está en órbita. Los parámetros calculados para esta órbita la muestran así en el cielo:

¡Es una órbita enorme! Proxima da una vuelta cada 550 mil años (las marquitas en la foto son en miles de años). Es bastante excéntrica, como se ve, y el semieje mayor es de 8700 unidades astronómicas (casi lo mismo que calculamos a ojímtero más arriba). La incerteza de la medición hace que la probabilidad de que no esté en órbita sea menor que una parte en 100 millones.

Proxima es una estrella diminuta. Tiene el 12% de la masa del Sol, y el 15% de su tamaño. Es apenas un poco más grande que Júpiter (pero con 100 veces su masa):

Su luminosidad es apenas el 0.1% de la solar, y eso es casi todo en infrarrojo (en visible, es apenas 0.005% de la solar). Aún así, tiene al menos un par de planetas (descubiertos con HARPS), uno de ellos en la "zona de habitabilidad", ¡y es la estrella más cercana! ¿Lograremos visitarla, alguna vez?

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Las imágenes son de las notas de prensa de ESO. Salvo la comparación de Proxima y Júpiter, que la saqué de X. El observatorio que se ve en la foto es el del telescopio de 3.6 m de La Silla.

El paper es Kervella et al., Proxima’s orbit around α Centauri, arXiv:1611.03495v3.

El paper de la medición de la distancia original, donde se propone el nombre, es RTA Innes, Parallax of the faint proper motion star near Alpha of Centaurus, Circular of the Union Observatory Johannesburg, vol. 40, pp.331-336 (1917).

Proxima se escribe sin acento porque es en latín.

Lejana luz de Earendel

«Un nuevo barco para él construyeron [...] el Silmaril como linterna [...]
impuso a Eärendil un eterno destino: navegar por los cielos sin orillas.»
J.R.R. Tolkien, La canción de Eärendil

Nos hemos ocupado de la estrella más lejana visible a simple vista: x Carinae. Por supuesto, con binoculares, con telescopio, o simplemente en fotos, podemos ver estrellas más lejanas en nuestra galaxia y en galaxias cercanas. Ya hace 100 años, Edwin Hubble observó estrellas variables en la galaxia de Andrómeda y descubrió lo lejos que estaba, por ejemplo. Y la exquisita visión de los grandes telescopios espaciales, como Hubble o Webb, nos muestran estrellas individuales en galaxias que están a decenas de millones de años luz. ¿Cuál será la estrella individual más lejana que nos han permitido ver?

Aún para el Hubble o el Webb, las galaxias más lejanas son apenas coloridas manchitas difusas, cada una brillando con la luz combinada de billones de estrellas indistinguibles. Como las que se ven en esta imagen del cúmulo WHL0137-08, en Cetus:

Esta es una foto del Webb (con las características seis puntas en la estrella brillante, que está en nuestra propia galaxia), hecha como continuación de un estudio iniciado con el telescopio Hubble. Precisamente en este cúmulo de galaxias el Hubble observó varios arcos, que son la luz distorsionada de galaxias más lejanas. Es posible ver uno de ellos un poco abajo y a la derecha de la estrella brillante:

La intensa gravedad de estos cúmulos de galaxias actúa como una lente, un improvisado telescopio que magnifica la luz que viene de más lejos. Claro que son telescopios berretas, porque son naturales. Pero, aún así, de casualidad, en ocasiones, las lentes gravitacionales son capaces de producir imágenes detalladas de lo que hay atrás. En ese arco se ven varios puntos brillantes, y los astrónomos están seguros de que uno de ellos es una estrella individual, que han bautizado Earendel: 

Earendel se encuentra a 28 mil millones de años luz de distancia, dos millones de veces más lejos que x Car, y la luz que nos llega de ella hoy en día partió cuando el universo era mucho más joven, y no existían ni la Tierra ni el Sol.

Earendel es una estrella inmensa, de clase B, un millón de veces más luminosa que el Sol o tal vez más. Las estrellas tan masivas muchas veces tienen compañeras, y en el espectro de Earendel el telescopio Webb muestra cierta evidencia de que podría tener una compañera más pequeña y más roja, cuya luz vemos mezclada con la de la principal.

Ya se han observado varias estrellas lejanísimas con esta técnica. El récord anterior era de una estrella que se ve cerca de la supernova Refsdal, también magnificada de esta manera, que ya apareció en el blog. También hemos comentado la lejanísima supergigante roja Quyllur. Así que es muy posible que Earendel pierda su posición privilegiada en los próximos años, y que tengamos otra estrella más lejana aún. Por otro lado, también podría desaparecer, si se perdiera la delicada alineación de la lente gravitacional, y Earendel se desvanecería en la luz del arco que es la galaxia que la alberga. 

¿Cómo será Earendel? ¿Tendrá planetas, en ese universo tan temprano, con una composición química distinta del de nuestro alrededor? ¿Habrá algún planeta con anillos, alguno rocoso, alguna luna como la nuestra? ¿Cómo serán su cielo nocturno, sus constelaciones? ¿Qué verán cuando miran hacia nosotros? ¿Eh?

 

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El paper que discute el descubrimiento es Welch et al., JWST Imaging of Earendel, the extremely magnified star at redshift z = 6.2, ApJL 940 L1 (2022). De allí tomé la foto que indica la estrella. El resto son de las notas de prensa del Webb.

Hay un personaje de la mitología nórdica, Aurvandill (Ēarendel en inglés antiguo, pronunciado érrendel), cuyo dedo del pie, congelado y arrojado al cielo por Thor, es el lucero matutino. El personaje literario de Tolkien, Eärendil (originalmente Eärendel, padre de Elrond de El Señor de los Anillos), quizás tiene cierta relación con él. Además, una de las descubridoras dice que la referencia a Tolkien fue intencional.

El centenario de la astrofísica

La observación más elemental de las estrellas nos revela dos hechos fundamentales: tienen distintos brillos, y diferentes colores. 

Estas dos características de las estrellas obedecen a dos propiedades físicas. Por un lado, el color revela la temperatura, algo que la física acabó de entender a fines del siglo XIX, con el modelo matemático descubierto por Max Planck, que logró explicar el espectro de un cuerpo caliente. Por otro lado, si se conoce (o se puede estimar) la distancia a la que se encuentra una estrella, se puede calcular matemáticamente su brillo intrínseco, llamado luminosidad. Es necesario hacer esta conversión, porque una estrella puede ser brillante porque está muy cerca, como Sirio. Y puede ser tenue porque está muy lejos a pesar de ser intrínsecamente muy luminosa, como o² Canis Majoris, que marqué en la foto:

Ómicron 2 CMa es casi 10 mil veces más luminosa que Sirio, pero en el cielo la vemos 57 veces más tenue que ella simplemente porque se encuentra mucho más lejos. 

Estas dos magnitudes, la luminosidad y el color, ¿podrán aparecer en cualquier combinación? ¿O estarán relacionadas de alguna manera? Los primeros en explorarlo y descubrirlo, de manera independiente, fueron Ejnar Hertzprung, un ingeniero danés aficionado a la astronomía, y Henry Norris Russell, un astrónomo americano de formación académica. El siguiente es el gráfico que hizo Russell en 1913:

Cada punto es una estrella, de un puñado para el cual Russell pudo medir la distancia y calcular la luminosidad (o la magnitud absoluta), que se grafica en la coordenada vertical. En la coordenada horizontal, Russell puso la clase espectral (las letras que se ven arriba), una propiedad que está relacionada con el color y con la temperatura. Hertzsprung y Russell descubrieron que el color y la luminosidad no eran magnitudes independientes. Las inmensa mayoría de las estrellas aparecían formando una franja diagonal (que hoy llamamos secuencia principal, señalada en el gráfico con dos líneas diagonales), abarcando desde las estrellas muy luminosas y muy calientes (azules) en el extremo superior izquierdo, hasta las menos brillantes y más frías (y rojas) en el extremo inferior derecho. 

Con el correr de los años, el gráfico de Hertzsprung y Russell (hoy lo llamamos diagrama HR) acabaría convirtiéndose en el corazón de la nueva ciencia de la astrofísica, que procuraba explicar cómo funcionaban las estrellas como fenómeno físico. Claro que cuando ellos lo descubrieron nadie tenía idea de esto, ni de cómo sería su constitución interna, o cómo nacían y morían. Nadie podía asegurar que el Sol no se apagaría o explotaría, por ejemplo. A nadie se le había ocurrido que los astrónomos acabarían explicando el origen de los elementos químicos que forman nuestro planeta y nuestros propios cuerpos. 

Pero muy poco después, el genial Arthur Eddington sentaría las bases para esta ciencia de las estrellas, cuyo desarrollo llevaría la mayor parte del siglo XX. Eddington consolidó sus trabajos sobre la constitución interna de las estrellas en un libro fundamental, llamado, como no podía se de otra manera, La constitución interna de las estrellas. Lo publicó en 1926, pero en el prólogo cuenta que lo escribió entre mayo de 1924 y diciembre de 1925. Así que se cumplen 100 años del nacimiento de esta monumental teoría, que responde a todas esas cuestiones acerca de la vida de las estrellas. Es un logro extraordinario, teniendo en cuenta que las estrellas están tan lejos. Nadie puede ponerle un termómetro a una estrella, o tomar una muestra para analizarla en el laboratorio. Todo lo que sabemos sobre ellas lo sabemos mirando de lejos, gracias a la luz que nos llega de sus superficies y al ingenio de los astrofísicos. Es una teoría complicada, que incorpora todas las ramas de la física moderna. Algunos detalles ya los he ido contando en el blog, y en el futuro seguiré contando lo que pueda adaptar en palabras, de a pedacitos interesantes. Porque es algo de lo cual uno puede sentirse orgulloso aún sin haber participado, algo que te lleva a pensar "pucha, miren lo que hemos logrado".

 

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Hablé de estas cosas, y mucho más, en mi reciente charla en el Planetario de la Ciudad de Buenos Aires. Si se la perdieron, pueden verla en YouTube. ¡Y si les gusta, recomiéndenla!