La Galaxia Nueve Anillos

Nine rings for mortal Men.
J. R. R. Tolkien

Sauron les dio nueve Anillos de Poder a otros tantos líderes humanos, que se volvieron poderosos, inmortales y clarividentes. Uno a uno fueron cayendo bajo el poder del Anillo Único, convirtiéndose en los Nazgûl, terribles sirvientes de Sauron, y que eventualmente lo ayudaron a rastrear el anillo perdido.

¿Y esto que tiene que ver con la astronomía? Nada, pero como hace poco mostré una galaxia anillo, me acordé de una foto del Hubble del año pasado: una galaxia con... ¡nueve anillos!

Es la enorme galaxia LEDA 1313424, sobrenombre Ojo de Buey, que exhibe toda esta joyería como resultado de una colisión central con una galaxia satélite. Como comentamos en aquella ocasión, las colisiones por el centro son uno de los mecanismos de formación de anillos, que se expanden "llevándose" en forma de energía potencial, la energía cinética del choque. En este caso, se ha identificado que el proyectil que acertó en el centro de esta diana es la pequeña galaxia azul que vemos a su izquierda. 

La colisión habría ocurrido hace relativamente poco, unos 50 millones de años, de manera que los anillos todavía brillan con la luz azul de una miríada de estrellas jóvenes, que se formaron como resultado del desbarajuste gravitacional que causó el paso de la galaxia chica a través de la grande. Cuando dos galaxias chocan, se atraviesan como si fueran fantasmas: las estrellas son muchísimo más pequeñas comparadas con las distancias entre ellas, de manera que los impactos entre estrellas son prácticamente imposibles. Pero el gas que llena el espacio entre ellas sí choca, se comprime, y se disparan episodios de formación estelar desenfrenados. Es uno de los hechos que más me fascina de la astronomía: la transformación de la energía cinética de las galaxias en nuevas estrellas, con sus planetas, lunas, satélites... ¿gentes? Piénsenlo un poco.

Varios de los anillos están amontonados cerca del centro de la galaxia, mientras que otros se extienden a decenas de miles de años luz. Esta imagen muy procesada los muestra más claramente, y además están señalados con líneas rojas.

Las galaxias anillo son raras, pero ¿nueve anillos? ¿Será común esto? Los astrónomos del trabajo creen que sí, pero que duran muy poco tiempo, así que han tenido (hemos tenido) suerte con Ojo de Buey. La aguda visión del Hubble les ha permitido incluso confirmar la predicción teórica (hecha mucho antes) de cómo deberían expandirse estos anillos. Esta figura muestra el tamaño de los anillos observados vs el tamaño predicho por la teoría.

Ojo de Buey se encuentra a más de 500 millones de años luz, en la constelación de Piscis. Es posible que el ya casi listo telescopio espacial Roman permita descubrir más galaxias de este tipo. 

 

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La foto es de NASA/ESA/STScI/Hubble. 

El paper es: Pasha et al., The Bullseye: HST, Keck/KCWI, and Dragonfly characterization of a giant nine-ringed galaxy, ApJL 980:L3 (2025). De allí son las otras dos imágenes.

El mulero

En mi caminata diaria por el campus del Balseiro me crucé con este magnífico animal, de la tropilla de mulas de nuestros vecinos de la Escuela Militar de Montaña, y me acordé de Milton Humason, de quien tenía ganas de comentar algo. No porque fuera burro o tramposo, nada de eso.

Humason nació en Dodge Center, Minnesota, un pueblito rural del Medio Oeste de Estados Unidos, cerca del río Mississippi. Hoy en día, el pueblo tiene menos de 3000 habitantes. Cuando nació Milton, en 1891, serían unos cientos. Gogléenlo, todavía hoy parece el pueblo de los Ingalls. Fue a la escuela (como las chicas Ingalls), pero a los 14 se pasó un verano acampando en las montañas de California, y le gustó tanto que nunca volvió, ni a su casa ni a la escuela. Trabajó en lo que fue consiguiendo, y un día lo tomaron como mulero de carga para la construcción del Observatorio de Monte Wilson, que eventualmente albergaría el mejor telescopio del mundo. 

Humason se interesó por lo que estaban construyendo, y aunque no conocemos detalles, es fácil imaginarlo charlando con los astrónomos para averiguar qué era ese edificio redondo en la cima de una montaña. Cuando se inauguró el Observatorio, consiguió trabajo de ordenanza. Sus jefes no tardaron en notar el talento del muchacho y el Director, el legendario George Hale, lo convirtió en "asistente nocturno", un trabajo técnico que le permitió familiarizarse con los equipos ópticos. Era algo sin precedentes, ya que Humason no tenía un título de nada, ¡ni siquiera había terminado el primer año de la secundaria! Pero Hale tenía buen ojo: Humason era cuidadoso y dedicado en el manejo de los instrumentos, y pronto le permitieron llevar adelante sus propios proyectos de observación. Cuando se inauguró el gran telescopio Hooker, de 100 pulgadas, que sería durante décadas el mejor y más grande del mundo, Humason aprendió a usarlo como nadie.

Bueno, como nadie no. En 1919 se presentó a las puertas del Observatorio, todavía vestido con el uniforme del 343 de Infantería, el Mayor Edwin Hubble, apenas regresado de la Primera Guerra Mundial. Un par de años antes, cuando defendió su tesis doctoral en Chicago, Hale le había ofrecido trabajo como especialista en fotografía de las misteriosas nebulosas espirales. Hubble lo había rechazado para ir a la guerra, pero apenas volvió de Francia se fue a California, donde Hale lo recibió con los brazos abiertos. 

Hubble pronto demostró que las nebulosas eran galaxias como la Vía Láctea, y que se encontraban a enormes distancias. Obviamente se volvió necesario medir sus propiedades, para lo cual se diseñaron equipos especiales, cámaras y espectrógrafos, para hacer exposiciones largas (¡a veces de más de una noche!), guiadas a mano con microscopios especiales. Debido a su talento instrumental, le encargaron a Humason la mayor parte de las observaciones, y así se convirtió en el asistente de Hubble, y luego en su amigo y colega. Se atribuye a Hubble el descubrimiento de la expansión del universo, mediante la observación del corrimiento al rojo de las líneas espectrales de las que empezaron a llamar galaxias. Pero casi todas las observaciones las hizo Humason (como reconoce Hubble en su libro The realm of the nebulae), y están publicadas por él mismo. Hasta su jubilación en 1957, Humason midió las velocidades de 620 galaxias, varias de ellas más de una vez. 

A mediados de 1928, Hubble publicó los resultados y las conclusiones de su análisis. Fue una revolución no sólo en astronomía, sino en cosmología, ya que un universo en expansión encajaba perfectamente en la Teoría de la Relatividad General, tal como varios físicos estaban señalando, incluso en contra de lo que opinaba Einstein. Rendido ante la evidencia, Einstein los visitó en Mt. Wilson, donde llamó a su intento de obtener soluciones estáticas del universo "el peor error de su vida". Acá lo vemos con Hubble (el de atrás, como siempre con la pipa en la mano) y Walter Adams (otro gran espectroscopista de Mt. Wilson, a la derecha), en una foto probablemente posada (y modernamente intervenida).

Debido al mérito de su trabajo, Humason fue promovido al rango de Astrónomo Asistente, y luego al de Astrónomo. En 1950 recibió un Doctorado Honoris Causa de la Universidad de Lund, en Suecia. Un capo, el mulero. Miren esta otra foto de la visita, con Humason a la izquierda, junto a Hubble. El único que parece sonreir es Michelson (el del experimento crucial que dio lugar a la Relatividad).

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Michelson instaló un interferómetro en el telescopio Hooker, que le permitió medir, por primera vez, el tamaño de una estrella: la supergigante Betelgeuse.

La galaxia duplicada

A menudo los aficionados novatos se encuentran con que no saben qué observar en el cielo, después de la Luna y los planetas. ¿A dónde apunto para ver las maravillas que conozco de fotos? Casi siempre, el primer catálogo al que recurren es el de Messier. Nada mal con eso, pero hay que tener en cuenta que su lista contiene los objetos que él podía ver desde París, y en particular los que podían confundirse con cometas, que eran su pasión. Hay una cantidad de objetos maravillosos, visibles desde el hemisferio sur, que no figuran en su catálogo. Por eso, alguna vez recomendamos el de Caldwell, que mantiene la misma cantidad de objetos (109), pero mejor distribuídos en el cielo, y sin repetir los de Messier. ¿Y después? Los principiantes aprenden rápidamente que hay un catálogo más completo, con miles de objetos fascinantes: el catálogo NGC, y su intimidante suplemento, el IC.

En realidad es un solo catálogo: NGC va de 1 (una galaxia en Pegaso) a NGC 7840 (otra galaxia, en Piscis), y a continuación vienen los IC desde el 1 hasta IC 5836 (también una galaxia en Piscis). El autor de estos catálogos es el astrónomo danés Johan Dreyer, fan de Tycho Brahe, que hizo casi toda su carrera en Irlanda, donde trabajó en el observatorio de Lord Rosse, y se lo conoce como John. El origen de su catálogo es el Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, que habían compilado los hermanos William y Caroline Herschel (a principios del s. XIX), y que luego el hijo de William, John, continuó como General Catalogue (1864). El General Catalogue tenía muchos errores y desprolijidades, y Dreyer se propuso enmendarlo y mejorarlo en la década de 1880. El resultado fue el New General Catalogue, y resultó un enorme trabajo para Dreyer, ya que tuvo que lidiar con observaciones hechas por distinta gente, a menudo contradictorias, hechas con una variedad de instrumentos no estandarizados. Lo publicó en 1889, y lo complementó con dos suplementos, en 1895 y 1908, que llamó Index Catalogue (por suerte no le puso "Newer", o "Newest", o "New New", aunque sin duda lo pensó...). De manera que NGC/IC es en realidad un único catálogo, el primer gran catálogo de objetos no estelares.

A pesar de los esfuerzos de Dreyer, el NGC/IC no está libre de errores. Hacia fines del s. XX hubo varios intentos de emprolijarlo (el NGC 2000.0, el NGC/IC Project, el RNGC/IC, que sigue activo...). De los 13226 objetos del catálogo original, 321 están señalados actualmente como inexistentes, más de 250 son estrellas (como IC 1, que es una estrella binaria). Y hay centenares de galaxias duplicadas: con doble número NGC, o con un número NGC y otro IC (como la última, IC 5836, que es también NGC 7832). 

Nunca había observado una de estas galaxias duplicadas, y hace poco hice una foto razonable de NGC 1269. Descubierta por James Dunlop, luego John Herschel volvió a ponerla inadvertidamente en el catálogo como NGC 1291, y a Dreyer se le pasó corregirla. Aquí la comparto.

NGC 1269 es una galaxia rara, que no encaja en la anatomía básica que alguna vez comentamos: es una galaxia anillo. En general estos anillos se forman como resultado de una colisión. Cuando dos galaxias chocan, sus estrellas están tan alejadas unas de otras que se atraviesan como fantasmas. Así que la energía potencial interna mayormente no cambia. Pero la energía cinética sí, ya que la fuerza gravitatoria de cada una hace trabajo sobre la otra. Esto saca a las galaxias de un equilibrio estadístico llamado virial. Las estrellas se reacomodan para restablecerlo, y para hacerlo tienen que convertir ese exceso de energía cinética en energía potencial, que debe aumentar. Como la energía potencial gravitatoria aumenta con la distancia, una manera de lograrlo es expandirse, “inflarse”. Otra manera es que las partes más energéticas se alejen de la galaxia, formando una corriente de estrellas y gas, como en las Antenas. Es una especie de “evaporación”, que “enfría” la galaxia y la lleva de nuevo al equilibrio. Seguramente ocurren los dos procesos, y cuál de ellos domina depende de detalles específicos de cada colisión. Encuentros casi por el centro producen estructuras en forma de anillo, como en la Rueda de Carro y en NGC 1269.

Podemos ver también que, en el bulbo central, NGC 1269 tiene una barra, lo cual es una rareza para las galaxias anillo. Se la ve bien en el centro en esta increíble imagen del Dark Energy Survey:

Son en realidad dos barras, de distinto tamaño y formando un ángulo entre sí. Observaciones de sus poblaciones estelares señalan que las barras son muy antiguas, de miles de millones de años. El anillo no puede ser tan antiguo, ya que está formando estrellas activamente, cosa que puede verse en ultravioleta:

Así que no está muy claro si este anillo se formó durante una colisión (o fusión), o si es algo que tal vez produjo dinámicamente el propio movimiento de la barra. De hecho, en el anillo puede verse una estructura espiral, que seguramente sí es efecto del movimiento de la barra.  

La barra, también, puede haber producido los pequeños bracitos espirales que se ven en el bulbo, y que también pueden verse en mi foto, si exagero el contraste (se dejan de ver el disco interior y el anillo, y dejo la estrella brillante como referencia):

NGC 1269 está a 33 millones de años luz en la constelación de Erídano. Con magnitud 9 y unos 10 minutos de diámetro, no sé por qué nunca la había observado. Tenía que llegar el S50; ahora todo es posible.

 

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La imagen ultravioleta es de NASA/JPL/Yale Univ/H Crowl/GALEX.

El paper sobre las barras es Méndez-Abreu et al., The long-lived inner bar of NGC1291, Proceedings IAU Symposium No. 353 (2019).

No confundir a John (Johan) Dreyer con John Dreyer, defensor y mediocampista inglés.

La maraña cósmica

El mes pasado, el experimento DESI completó su programa de 5 años: hacer un mapa tridimensional del universo, mostrando dónde se encuentra cada galaxia alrededor nuestro, desde el Grupo Local hasta el confín más lejano. DESI ha sobrepasado con creces los surveys anteriores, con 47 millones de espectros de galaxias, que permiten ubicarlas en la tercera dimensión, en profundidad, que en el universo además corresponde a antigüedad.

El mapa cubre más o menos un tercio del cielo, y en la imagen de arriba nos muestra el universo visto "desde afuera". La Vía Láctea está en el centro, y las galaxias más lejanas están a 11 mil millones de años en el pasado. Los dos sectores sin datos son la "zona de exclusión", correspodiente a la banda de la Vía Láctea en el cielo. A una distancia intermedia hay una especie de anillo de menos densidad. No es que allí haya menos galaxias, sino que es una región de transición entre dos metodologías de observación, una para el universo cercano y otra para el lejano, y se produce ese defecto en la imagen. El mapa completo es tan detallado que hay que hacer un fuerte zoom para ver las galaxias individuales:

Y más aún: 

Como se puede apreciar a simple vista, las galaxias no están distribuídas uniformemente en el universo. Forman unos filamentos, una maraña, que parece una esponja, con grandes huecos vacíos. Lo que vemos en la imagen es gruesito en la dirección perpendicular al plano de la pantalla, de manera que muchas galaxias aparecen superpuestas y la espuma cósmica se desdibuja. Si se hace una rodaja finita, el mapa se ve así:

Esta textura esponjosa se conoce de hace tiempo, y la cosmología moderna es tan extraordinaria que se puede simular su formación, como en este trabajo reciente:

Poco después del Big Bang caliente, cuando el universo empezó a enfriarse, pero antes de que se formaran las primeras estrellas, las pequeñas fluctuaciones de densidad (del orden de una parte en 100 mil) se amplificaron por acción de la gravedad, que es una fuerza atractiva, y la materia se condensó en esta espuma cósmica. Las galaxias se formaron en las regiones más densas, y a partir de allí evolucionaron. El mapa de DESI servirá para entender cómo ocurrió todo, en particular el rol de la energía oscura (DESI significa Dark Energy Spectroscopic Instrument). Resultados preliminares sugieren que la energía oscura también evolucionó, como la densidad de materia, algo que nadie se esperaba. Veremos.

DESI está montado en el telescopio Mayall, un instrumento precioso con un espejo de 4 metros de diámetro, en el Observatorio Kitt Peak, idéntico al telescopio Blanco de Cerro Tololo en Chile (donde hay un survey parecido, llamado DES para confundir). Estaba medio subutilizado cuando lo visité hace ya 25 años, y DESI lo ha rejuvenecido. En el plano focal tiene un sistema complicadísimo, con cientos de miles de partes, entre ellas 5 mil robotitos minúsculos, que pueden moverse y activarse para capturar cada uno la luz de una galaxia individual y dirigirla a una fibra óptica que la lleva a un espectrógrafo. Los blancos se elijen, para cada dirección del cielo, en base a un survey previo (no espectroscópico) que contiene casi 3 mil millones de objetos, la mitad de los cuales son galaxias.

En el sitio de NoirLab, que operó el experimento, se pueden ver visualizaciones tridimensionales, incluyendo un viaje simulado a través del mapa.

DESI fue muy exitoso, y se ha prolongado su funcionamiento por dos años más. Se cubrirá un 20% más de cielo, y se volverán a visitar zonas ya observadas, para complementarlas con galaxias que quedaron sin observar. ¡Ampliaremos!

 

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Las imágenes son del proyecto DESI en NoirLab.

La imagen simulada es del proyecto Colibre: Schaye et al., The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution, MNRAS 548: stag375 (2026).

Un concilio de gigantes

En el mito griego hay dos guerras entre dioses: la titanomaquia y la gigantomaquia. La primera es la guerra contra los titanes, en la cual los olímpicos vencen a Cronos, que devoraba a sus hijos. Más de una vez hemos comentado algunos episodios. Después de derrotar a los titanes, Zeus y su familia lucharon contra los gigantes, también engendrados por Gea y Urano como los titanes, y establecieron el orden definitivo del cosmos, en el cual se desarrolla la historia humana. El mito de Piscis, que alguna vez hemos comentado es un episodio de esta teomaquia. Estas guerras en las que una generación de dioses se enfrenta a una anterior y la substituye son bastante comunes también entre otros pueblos europeos. Por ejemplo, en los pueblos nórdicos hay otro grupo de dioses que también se traducen usualmente como "gigantes", los jötunn, derrotados por los dioses de Asgard (el padre de Loki es un jötunn). En el sistema solar, tan poblado de dioses grecorromanos, tienen nombre de gigantes Encélado y Mimas, ambos satélites de Saturno (que es el titán Cronos). Pero en general pocos nombres de gigantes son familiares hoy en día.

Mucho más allá, a millones de años luz, nos rodean doce gigantes:

Circinus, Bode, Cigarro, Ojo de Gato, Ojo Negro, Maffei Uno, Maffei Dos, Moneda de Plata, Molinillo Austral, Centaurus A, IC 342, NGC 4945.

Algún lector desatento podrá creer que se trata de personajes mitológicos. Pero hacia el final de la lista hay unos nombres sospechosamente astronómicos. ¿NGC? ¿IC? ¿Esas no son galaxias? Sí, son. Y los nombres propios que las preceden también son galaxias que hemos visitado: Moneda de Plata es NGC 253, la galaxia de Sculptor. Molinillo Austral es Messier 83. Centaurus A es la galaxia peculiar NGC 5128. Y NGC 4945 es "la otra" galaxia de Centaurus.

Este Concilio de Gigantes fue identificado recién en 2014 por el astrónomo canadiense Marshall McCall. Forman un anillo a unos 12 millones de años luz, con muy poca dispersión hacia arriba y abajo del plano medio:

La Vía Láctea está un poquito corrida del centro del anillo. Y ambas galaxias grandes del Grupo Local, Vía Láctea y Andrómeda, también están en el plano del Concilio, formando una estructura plana que se llama Hoja Local. La evolución del Grupo Local y del Concilio de Gigantes parece haber sido conjunta en el pasado, cuando el universo era más pequeño, ya que las direcciones de sus rotaciones parecen estar más o menos alineadas, y son muy distintas de las correspondientes a galaxias más lejanas. Esta estructura achatada es precisamente lo que predicen los modelos de evolución del universo primitivo: una especie de esponja, con grandes vacíos separados por superficies de materia oscura, donde se forman las galaxias. La Hoja Local es una de las paredes del Vacío Local. Los grandes surveys de galaxias muestran que esta esponja filamentosa llena todo el universo. 

Entre las galaxias del Concilio hay varias muy activas, ya sea por su núcleo o por starburst, y nos bombardean con partículas subatómicas de gran energía. Son los rayos cósmicos ultraenergéticos que comentamos la semana pasada, que el Observatorio Auger (en la provincia de Mendoza) está finalmente caracterizando. Este mapa del cielo muestra cómo los rayos cósmicos extragalácticos parecen venir del Concilio de Gigantes. 

El cúmulo de Virgo también está en el plano de la Hoja Local, si bien bastante más lejos. Por esta razón muchas galaxias brillantes aparecen alineadas en el cielo. En la próxima "temporada de galaxias", en otoño, aprovechen a identificar desde nuestra perspectiva esta enorme estructura, que es uno de los ladrillos de todo el universo.
 

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El paper de McCall es: McCall, A Council of Giants, MNRAS 440:405–426 (2014). La ilustración de las dos vistas del Concilio está basada en su Figura 3.

La primera foto es del Friso de la Gigantomaquia, del Altar de Pérgamon (CC BY-SA user Sailko, Wikimedia). 

La figura del los rayos cósmicos es de: Auger Collaboration, The Distribution of Ultrahigh-energy Cosmic Rays along the Supergalactic Plane Measured at the Pierre Auger Observatory, ApJ 984:123 (2025).  

La ilustración de las 14 galaxias es de Wikipedia, usuario Piquito Veloz. 

El universo a ultra altas energías

Casi todo lo que sabemos del universo, lo sabemos gracias a la luz que nos llega del cosmos. No sólo la luz visible, sino todas las radiaciones electromagnéticas, que son luces que no podemos ver. Pero no todo: también nos llegan ondas gravitacionales, que desde hace pocos años pueden detectarse. Y también llega materia, que es algo completamente distinto de la radiación. De todos lados nos llega una lluvia continua de partículas materiales, subatómicas, llamadas en general rayos cósmicos, aunque no son rayos, pero sí son cósmicos. Contienen información de los procesos que las produjeron y las mandaron hacia nosotros. No todos lo saben, pero el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo está en la Argentina: el Observatorio Pierre Auger en la provincia de Mendoza, y buena parte del trabajo científico (teórico y experimental) se hace aquí, en el Centro Atómico Bariloche, en la División de Partículas y Campos. 

Hace poco, en el Congreso IB70 (en celebración de los 70 años del Instituto Balseiro), Geraldina Golup presentó buenísimos resultados sobre los rayos cósmicos de las más altas energías, que son la especialidad del Auger.

Como mencioné arriba, los rayos cósmicos son partículas de materia, en general protones, pero también núcleos más pesados. Cuando llegan a la Tierra se encuentran con el aire de las capas superiores de la atmósfera y no pueden atravesarla como haría un rayo de luz. Así que no llegan a la superfice. En cambio, chocan contra un átomo del aire y se desencadena una cascada de reacciones nucleares, con producción de una cantidad de partículas inestables (típicamente muones y piones: un primo pesado del electrón y un primo liviano del protón). Esta cascada sí llega a la superficie, donde puede ser detectada. En Auger hay una red de tanques de agua purísima, y cuando una partícula los atraviesa, como se mueven más rápido que la luz, producen una lucecita que queda registrada. Los tanques de la red funcionan como pixels, y permiten reconstruir la cascada de partículas hasta el rayo originario, incluyendo la dirección y la energía que traía. Esta es una simulación de una de estas cascadas (los puntitos en el paisaje son los tanques detectores): 

Una caracterización importante de los rayos cósmicos es cuántos hay de cada energía: su espectro. Resulta que hay muchísimos más de energías bajas que de energías altas. Auger se construyó, hace 20 años, precisamente para explorar el espectro a energías altas, que era en buena parte desconocido. La razón es que la cantidad de rayos cósmicos de energías muy altas es abrumadoramente pequeña, son muy muy poquitos: apenas llega una por kilómetro cuadrado por siglo. Es decir, si hacemos un detector de 1 km cuadrado, para ver una partícula hay que esperar un siglo. ¿Qué alternativa hay? ¡Usar más kilómetros cuadrados! Así que Auger se construyó muy grande: el arreglo de tanques detectores abarca 3000 km cuadrados, lo cual permitiría observar unas 30 de esas escasas partículas por año. Y lo está haciendo desde hace 20 años. Geraldina mostró este gráfico del espectro de altas energías:

La formita que tiene esta curva se llama tobillo del espectro de rayos cósmicos (hay una rodilla a energías más bajas). Cuando se construyó Auger se sospechaba su existencia, pero Auger ha finalmente confirmado la forma que tiene. Noten que el eje (horizontal) de energías va entre 1 y unos 300 EeV (Exa electrón-volt). Exa es un prefijo menos conocido que kilo (mil), Mega (un millón) o Giga (mil millones): Exa significa 10 a la 18 (¡un millón de millones de millones!). Vemos en el gráfico que Auger ha medido partículas de esa inmensa energía, y Geraldina anotó debajo del gráfico que el flujo observado es de ¡una partícula por kilómetro cuadrado por milenio! Evidentemente Auger está funcionando tal cual lo imaginaron sus diseñadores. Dije "energía inmensa", pero no se crean que es una bomba atómica. Es interesante convertir esa energía a las unidades típicas del mundo macroscópico, como el joule. El electrón-volt (eV) es una unidad pequeñísima de energía, pero el Exa es tan grande, que 100 EeV son 16 joules, que es más o menos la energía cinética de una pelota de volley en el saque, o la energía solar que llega a un metro cuadrado de suelo en 1 segundo, o la energía que se necesita para levantar un kilo de manzanas del piso a la mesada. Es decir, no es una energía "inmensa" para la vida cotidiana, pero es una energía macroscópica concentrada en una única partícula subatómica. Guau. Si te pegara ese protón en la cara, ¿lo sentirías? Yo creo que no, te atravesaría dejando muy poca energía depositada en tu cuerpo, causando algún destrozo a nivel molecular. A menos que te atravesara un ojo, ni te darías cuenta.

Bueno, ¿de dónde vienen estas partículas tan energéticas? ¿Qué procesos astrofísicos las producen? Hay un problema con los rayos cósmicos: como son partículas con carga eléctrica, el campo magnético de la Vía Láctea curva sus trayectorias y enmascara su origen. Por suerte, los rayos de más alta energía sufren menos estas desviaciones, así que más o menos se puede ver de dónde vienen. Nuevamente, Auger ha sido fundamental para establecer que los rayos cósmicos con energías superiores al "tobillo" vienen de fuera de la Vía Láctea. De esto ya no hay ninguna duda, y de hecho Auger ha establecido que el origen mismo del tobillo es la transición entre los rayos cósmicos de origen galáctico y los extragalácticos, algo que se ignoraba. 

¿Y de dónde vienen? Auger ha podido estudiar con razonable precisión sus direcciones de arribo. Puestos en un mapa de todo el cielo se ven así:

Estos mapas son en coordenadas galácticas (con la Vía Láctea en el "ecuador", y el centro galáctico en el medio del óvalo). La parte sin datos corresponde a la región del cielo que Auger no puede ver por su latitud. Los colores rojos, en el gráfico del medio, indican mayor flujo de rayos cósmicos viniendo de esa región del cielo. Voy a poner la versión del paper que se ve mejor:

Es evidente que la mayor parte del exceso de rayos cósmicos de ultra alta energía vienen de una región a unos 300 grados de longitud galáctica, un poco hacia el norte del ecuador galáctico. ¿Qué hay en ese lugar? Esta galaxia:

Centaurus A es una galaxia relativamente cercana, que tiene en medio un agujero negro supermasivo destruyendo materia activamente, con un fuerte campo magnético que produce dos jets de materia y energía más grandes que la galaxia misma. Es la situación ideal para acelerar partículas subatómicas hasta las energías observadas en los rayos cósmicos. En el mapa se ven otras manchas rojas: varias alrededor de Cen A, otra en la región del Polo Sur Galáctico, y se adivina que debe haber otra en el hemisferio norte, justo por fuera de la región accesible a Auger. La resolución de estas fuentes no es muy buena, por el efecto del campo magnético galáctico sobre los rayos cósmicos, como dijimos. Pero Geraldina y sus colegas han analizado estadísticamente el mapa correlacionándolo con catálogos de galaxias activas cercanas (galaxias de las llamadas starbust, que producen estrellas a una tasa inusualmente elevada). ¿Por qué cercanas? ¿No podrían venir rayos cósmicos del otro lado del universo, así como vemos supernovas explotando a miles de millones de años luz? No: en un viaje tan largo, las partículas cargadas interactúan con los fotones del fondo cósmico de microondas, se desintegran y se pierden. Así que hay un "horizonte", de algunos cientos de millones de años luz, para la propagación de estos rayos cósmicos de alta energía. El resultado de las correlaciones favorece que hay otras dos fuentes en el cielo cercanas a Centaurus A: NGC 4945 y Messier 83, las galaxias de nuestra temporada de otoño: 

 ¿Y en el Polo Sur Galáctico? Obviamente, se trata de NGC 253:

 ¿Y la fuente invisible, en el hemisferio norte? Es Messier 82, la famosa galaxia starburst de Ursa Major:

Estas galaxias no están ahí por casualidad, pero de eso me ocuparé la semana que viene, porque esta nota ya quedó demasiado larga. 

 

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La foto de M82 es de NASA/ESA/Hubble. La simulación de una cascada es del Observatorio Pierre Auger (Cosmus, Universidad de Chicago). Las otras son mías. Los papers interesantes que revisé después de la charla de Geraldina son:

Auger Collaboration, The distribution of ultrahigh-energy cosmic rays along the supergalactic plane
measured at the Pierre Auger Observatory, ApJ 984:123 (2025).

Auger Collaboration, Arrival directions of cosmic rays above 32 EeV from Phase One of the Pierre Auger Observatory, ApJ 935:170 (2022).

Golup. An update on the arrival direction studies made with data from the Pierre Auger Observatory, PoS (ICRC2023) 252. 

Auger Collaboration, Energy spectrum of ultrahigh-energy cosmic rays across declinations −9⁢0° to +44.8° as measured at the Pierre Auger Observatory, Phys. Rev. Lett. 135:241002 (2025). 

La gran escala

«Si el universo se expande, ¿por qué es tan difícil conseguir lugar para estacionar?»

Apócrifo

Tengo un recuerdo falso: Woody Allen diciendo la frase del epígrafe. He buscado la fuente una y otra vez en la web, y si bien encontré cosas parecidas, la frase exacta no es ni suya, ni de sus personajes, ni de sus cuentos. Por un lado está, en Annie Hall, el personaje de Allen cuando es niño, atormentado porque la expansión del unvierso acabará por romperlo. Por otro lado, al comediante Steven Wright se le atribuye la frase "Dicen que el universo se expande. Eso debería ayudar con el tráfico", que es una noción parecida, pero no es lo mismo. Finalmente, hay una nota en The New York Times titulada "El universo se expande, ¿pero dónde estaciono?" Allí se reporta una conferencia de Saul Perlmutter después de recibir el Premio Nobel por descubrir la expansión acelerada del universo, en la cual comentó que la cosa más importante que acompaña a un Nobel es que le asegura un lugar reservado de estacionamiento en la universidad (algo que es muy valioso en Estados Unidos, parece). Perlmutter no hizo ninguna conexión entre ambas cosas, pero el autor de la nota las puso juntas en el título porque el contraste entre algo cósmico y una banalidad es chistoso.

Todas estas citas son parecidas, pero no iguales. Así que, desde hoy, la frase completa, tal cual la vengo repitiendo, debe atribuirse a mí:

«Si el universo se expande, ¿por qué es tan difícil conseguir lugar para estacionar?»

Guillermo Abramson

Más allá (o más acá) del chiste, esta cuestión surge una y otra vez, y la respuesta habitual es que el universo se expande "a gran escala". A "pequeña escala" hay otras fuerzas en juego que enmascaran la expansión. Como dice la mamá del niño Alvy en Annie Hall, «¡Brooklyn no se está expandiendo!» Los átomos de cloro y de sodio no se alejan entre sí en los cristales de sal; están sostenidos en sus posiciones por fuerzas cuánticas. Las estrellas de la Vía Láctea no trazan espirales crecientes, sino que se mueven en órbitas que conservan su tamaño. El sistema solar no se desarma. Los automovilistas quieren estacionar todos en el mismo lugar, y los sitios se agotan. 

Pero todas las fuerzas que gobiernan las interacciones entre los cuerpos que llenan el universo reducen su intensidad con la distancia: dónde dejo mi auto en el centro de Bariloche no afecta a los automovilistas de Mumbai, así que entre Bariloche y Mumbai debe haber algún sitio para estacionar. La gravedad misma, si bien tiene alcance infinito (uno sobre erre al cuadrado, y sin nada que la "apantalle") es imperceptible entre galaxias lejanas. Así que vemos, en el universo lejano, que todas las galaxias se alejan de nosotros a velocidades crecientes con la distancia, tal como descubrió Hubble hace casi 100 años.

Bueno, todo esto tiene sentido, hay mediciones, hay teoría. Pero ¿dónde empieza la "gran escala"? Vista desde la Tierra, la gran escala empieza con estas dos galaxias:

Son NGC 55, una galaxia pequeña, similar a la Nube mayor de Magallanes, y NGC 300, una espiral vista de frente, muy tenue. Ambas se encuentran en la constelación de Sculptor, junto al polo sur galáctico, pero bastante más cerca nuestro que la gran galaxia de Sculptor, NGC 253, que domina el llamado grupo de galaxias de Sculptor. NGC 55 se aleja de nosotros a 131 km/s, y está a 2 Mpc (megaparsecs, 6.5 M a.l.). La velocidad de expansión del universo correspondiente es 131 dividido 2, 65.5 km/s por Mpc. NGC 300 se aleja a 144 km/s, y está un poquito más cerca, 1.86 Mpc (6.07 M a.l.). El cociente da 77.4 km/s/Mpc. Ambos números son similares al parámetro de Hubble obtenido por diversas técnicas astrofísicas: 67 km/s/Mpc (usando las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas) o 73 km/s/Mpc (usando supernovas, como Perlmutter). La diferencia parece pequeña pero es significativa, y como nadie sabe a qué se debe se la conoce por ahora como "tensión de Hubble". Es apenas una curiosidad que veamos la tensión de Hubble en las dos galaxias más cercanas en las que apreciamos la expansión del universo.

Así que la gran escala del universo empieza ahí: a 6 millones de años luz. Todo lo que está más cerca (las Nubes de Magallanes, la galaxia de Andrómeda, Messier 33, todas las enanas, Brooklyn, etc.) es "universo local", Alvy. 

 

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Si la Vía Láctea estuviese en el medio de un gran cúmulo de galaxias (como el de Virgo), en lugar de formar parte de un "grupo" pequeño (el llamado Grupo Local), habría que irse más lejos (decenas de millones de años luz) para detectar la expansión del universo.  

La evolución del universo

El universo está lleno de millones y millones de galaxias, abarcando trillones de estrellas y todavía más planetas. En uno de ellos (y posiblemente en muchos más) la materia que las mismas estrellas sintetizaron a lo largo de miles de millones de años está auto-organizada y es capaz de desafiar brevemente las leyes de la termodinámica. Pero el universo no fue siempre así: en una época remota, hace 13 mil millones de años, no había vida, ni planetas, ni estrellas, ni galaxias. Sólo materia y radiación llenando todo el espacio de manera uniforme. Y gravedad, que con su imparable atracción no tardó en disparar toda la organización y las estructuras que surgieron poco después. Entendemos buena parte del fenómeno, pero la física es una ciencia experimental, y tenemos que contrastar la teoría con las observaciones para entender cómo funciona el mundo. Por increíble que parezca, lo que ocurrió en aquel pasado remoto no es inaccesible. La velocidad finita de la luz nos asegura que todavía está ahí, a la vista de quien quiera observarlo. El primer vistazo lo tuvimos con los campos profundos del telescopio Hubble, completados progresivamente a lo largo de décadas, en exposiciones abrumadoras para cualquier astrofotógrafo (¡millones de segundos!). Pero la capacidad del Hubble es limitada para mostrar ese universo temprano, porque la expansión del universo ha estirado la luz de aquellas estrellas hasta la región infrarroja del espectro electromagnético. Recién el telescopio Webb nos está revelando la manera en que todo ocurrió. El primer equivalente a los campos profundos del Hubble fue completado este año: el survey COSMOS-Web. 

Es una imagen de ¡255 horas de exposición!, abarcando un campo relativamente ancho, de medio grado cuadrado en el cielo (como 3 lunas, esta imagen es sólo una partecita de 6 por 6 minutos). Los objetos fotografiados cubren un rango increíble de distancias, desde estrellas en nuestra propia Vía Láctea, hasta otras galaxias a miles de millones de años luz de nosotros. Las estrellas se distinguen fácilmente por las puntas producidas por la difracción de la luz en el peculiar diseño del espejo del Webb:

Vemos que las galaxias aparecen agrupadas en racimos, donde interactúan y chocan:

Pero a pesar de la inmensa cantidad de galaxias, vemos que hay regiones muy oscuras, con enormes vacíos que permiten ver sin obstrucción las pocas galaxias en esa línea visual, y detrás de ellas la oscuridad de la noche:

La imagen del Webb, tomada en la región de ondas largas, infrarrojas, de la luz, está complementada por una imagen hecha en el otro extremo del espectro, en rayos X:

El halo violeta que impregna esta imagen viene del tenue gas supercaliente que llena el espacio entre las galaxias y los cúmulos de galaxias. La imagen completa tiene 166 megapixels, y provee una rica población de galaxias que dará trabajo durante años para seguir comprendiendo el proceso dinámico que formó la estructura del universo a lo largo de su existencia.

 

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La imágenes son de NASA/ESA/CSA/Webb/Chandra/XMM-Newton. El primer resultado del proyecto está en el paper Toni et al., The COSMOS-Web deep galaxy group catalog up to z = 3.7, A&A 697 (2025)  https://doi.org/10.1051/0004-6361/202553759

La imagen completa de NIRCam está en este link, y la de MIRI en este. Son gigantes, ojo. Hay un mapa interactivo aquí, con el catálogo, espectros, todo:

El pasado distante

Creemos entender que las fluctuaciones que vemos en el fondo cósmico de microondas, con puntos más fríos y más calientes en el plasma que llenaba el universo apenas 380 mil años después del Big Bang, dieron lugar a los primeros cúmulos de galaxias, que siguen existiendo 13 mil millones de años después. Esas primeras galaxias son tenues y su luz está extremadamente corrida hacia las longitudes de onda largas por la expansión del universo, por ser tan antiguas. Nunca habíamos podido estudiarlas, porque se necesita un telescopio enorme e infrarrojo. Y precisamente para hacerlo se construyó el telescopio espacial Webb, como hemos contado. Un paper reciente muestra imágenes tomadas como parte de un survey llamado GLIMPSE, uno de los tantos que están explorando esas primeras luces. GLIMPSE fue diseñado para hacer observaciones muy largas, a tavés de varios filtros, valiéndose además del efecto amplificador natural que producen grandes cúmulos de galaxias más cercanos, que actúan como lentes gravitacionales enfocando la luz de galaxias aún más lejanas. Se pretende alcanzar la magnitud 30.6 en varias bandas infrarrojas, que equivale a un brillo 10 mil millones de veces menor que la estrella más tenue visible desde un sitio oscuro. A los especialistas les interesan unos mínimos puntitos rojos, visibles en la siguiente imagen, pero los aficionados quedamos boquiabiertos con la foto entera:

Esta es la región central del cúmulo de galaxias Abell S1063, un súper mega monstruo galáctico que se encuentra a 4500 millones de años luz de nosotros. Todas las galaxias blancuzcas que vemos en esta imagen forman parte de Abell S1063, incluso la gigante del centro, cuya luz parece englobar a muchas de las otras. Este cúmulo es el que funciona como lente gravitacional, ayudando a amplificar la luz de galaxias más distantes. Como es una lente natural, la imagen de estas galaxias lejanas resulta distorsionada, y las vemos formando una multitud de arcos rojizos, bien ordenaditas en torno al cúmulo de galaxias blancas. Este campo ya había sido estudiado por el telescopio Hubble, como parte del programa Frontiers. Hoy las imágenes del Hubble, que nos deslumbraban hace 10 años, nos parecen pobretonas; fíjense cuánta menos sensibilidad tiene:

Tuve que achicar la imagen del Webb para insertarla en esta página, pero voy a mostrar algunos recortes para que se vea la riqueza del campo de galaxias que se ve detrás del cúmulo. Vean qué gran distorsión presentan estas galaxias rojas (sus formas verdaderas no deben ser muy distintas de las blanquitas): 

Este es otro recorte, donde vemos un montón de galaxias del cúmulo y las distorsionadas detrás: 

Este es otro. Se puede ver que algunas de las galaxias rojas tienen mucha estructura, con globulitos y cositas, que son regiones de activa formación estelar:

Pero lo que realmente les interesa a los astrónomos de GLIMPSE es la multitud de puntitos aislados, que salpican todo el fondo en estas imágenes. Esas son las galaxias realmente lejanas, las que están en la infancia del universo. Las imágenes que estudian ellos son mucho menos glamorosas:

Esta imagen no es tan llamativa como la "foto" de Abell S1063, pero es el tipo de análisis que ellos pretenden hacer. Los cuadraditos de arriba son imágenes de algunas de las galaxias lejanas, esos puntitos que salpican el fondo de la imagen completa. El gráfico de abajo muestra la magnitud a distintas longitudes de onda (¡fíjense que son magnitudes del orden de 31!). Las magnitudes disminuyen hacia la izquierda (con unos picos superpuestos, que no importan). La curva roja (¿o es marrón?) se interrumpe bruscamente un poco a la izquierda del medio, y la violeta llega bastante más a la izquierda, bajando suavemente. Ese comportamiento es el que permite calcular el valor del parámetro z que muestran allí, y que es enrojecimiento de la luz: la galaxia "marrón" tiene z = 16.4. La luz que vemos de ella está estirada un factor de 15 veces con respecto a cuando se la emitió: así el ultravioleta queda convertido en infrarrojo. De acuerdo al modelo de expansión del universo, esa galaxia se encuentra a 35 mil millones de años luz de nosotros. Esos fotones llevan viajando 13500 millones de años; se emitieron cuando el universo tenía poco más de 200 millones de años de edad, y era muy distinto que ahora. La galaxia "violeta", que tiene una magnitud similar, en cambio, es una "colada", ya que su z = 4.8 delata que el universo ya tenía más de mil millones de años de edad cuando emitió su luz. 

A medida que se acumulen observaciones de estas galaxias, estas curvas de luz permitirán calcular a qué ritmo estaban formando estrellas, cuánto polvo tenían ya en el espacio entre ellas, cuántas hay de cada tipo, cómo se organizaban en el espacio, etc. GLIMPSE y otros surveys permitirán entender cómo surgieron las primeras galaxias y cómo se organizaron, para llegar a ser como las que vemos a nuestro alrededor, donde hay planetas capaces de albergar vida. 

 

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El paper es: Kokorev et al., A Glimpse of the New Redshift Frontier through AS1063, ApJ Lett 983:L22 (2025). Es open access, pero bastante técnico; lo mejor es la foto, que en el paper ni siquiera aparece. De allí tomé la ultima imagen. La foto a todo color es del sitio de ESA, y es de NASA/ESA/JWST, y la del Hubble es de NASA/ESA/Hubble.