La Vía Láctea de Vera Rubin

Vamos a hablar hoy un poco sobre la forma y cinemática de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Para ello, vamos a introducir brevemente un concepto del que ya se dejó intuir algo aquí: metalicidad.

Ya dijimos que en el interior de las estrellas se producen todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Lo que llamamos metalicidad de un gas es la proporción de elementos más pesados que el helio que éste contiene, respecto a la cantidad de hidrógeno, y lo simbolizamos como [Fe/H]. La metalicidad nos da mucha información sobre la edad de la zona, ya que una alta metalicidad indica más edad, puesto que se ha necesitado tiempo para que las estrellas produzcan todos esos elementos pesados.

Bien, ahora veamos qué forma tiene la Vía Láctea. Nuestra galaxia, como muchas otras, vista de perfil es casi como un disco plano, con las siguientes subestructuras:

• Bulbo central, en cuyo centro se encuentra el agujero negro supermasivo de unas 2,6 millones de masas solares, llamado Sagitario A

• Disco fino, que es donde se encuentran la inmensa mayoría de las estrellas.

• Disco grueso, donde las estrellas son más viejas, cuya metalicidad es  aproximadamente de -0.5

• Halo, que es una zona de muy baja densidad de estrellas y gas, el hogar de la mayoría de los cúmulos globulares. Como no hay zonas de formación y hay muy pocas estrellas, no nos sorprende que su metalicidad sea más baja que en el resto de la galaxia, en torno a  -1,5.

Bueno, ¿y por qué un disco, por qué no esférico como las estrellas? Pues porque la nube a partir de la que se empezó a formar la galaxia en su momento, estaría girando, entonces al colapsar por gravedad, se tiene que conservar el momento angular (la cantidad de giro del sistema) al igual que un patinador sobre hielo. Cuando gira y acerca sus brazos al cuerpo acelera, cuando los aleja gira más lento. Así, el gas empieza a acumularse cerca del eje de rotación, pero como la gravedad aprieta, termina cayendo y formando un disco, que es lo más cerca que puede estar del centro de masas.

Si la miramos desde arriba, nuestra galaxia pertenece a la familia de las galaxias espirales. Y es que el disco no es homogéneo, sino que las estrellas se agrupan formando unas estructuras que llamamos brazos. Los astrónomos Chia Chiao Lin y Frank Shu propusieron en 1960 que estas estructuras se deben a la propagación en el disco de una onda de densidad, es decir, una perturbación en la densidad del disco. Esta onda giraría también con respecto al centro galáctico, pero a una velocidad menor que lo hace el gas o las estrellas.

Así bien, sabemos que es un disco porque gira y sabemos que gira porque es un disco. Ambas partes de la oración tienen respaldos observacionales. Pero es que además, esa rotación es diferencial. Esto significa que la velocidad del giro varía con la distancia al centro galáctico:

En rojo tenemos la gráfica de la velocidad según la distancia al centro galáctico, que nos da mucha información:

Para empezar, podemos ver que las zonas muy cercanas al centro (bulbo), gira todo en bloque, como un sólido rígido, de ahí la primera parte recta y ascendente de la gráfica.

Conforme nos alejamos del centro galáctico, la velocidad empieza a decaer, lo que tiene sentido por lo que antes hemos comentado, a menor densidad (patinador con los brazos lejos del cuerpo), menor velocidad. 

Todo esto funciona hasta que seguimos mirando la gráfica y vemos que, ¡sorpresa!, la velocidad vuelve a aumentar cuando estamos muy lejos del centro de la galaxia. En efecto, la línea verde es lo que se esperaría. Entonces ¿qué está pasando aquí? Esa misma pregunta se hizo la física Vera Cooper Rubin en 1970. 

Ella comparó la gráfica anterior con ésta en la que se representa la intensidad luminosa con respecto a la distancia al centro de la galaxia.

Efectivamente, como se esperaba, cerca del centro la intensidad es muy alta, es decir, hay muchas estrellas y fuentes de luz, y conforme nos alejamos del centro, la galaxia es cada vez más oscura, porque está menos poblada.


Así pues, tenemos dos ideas clave:

• Por conservación del momento angular, las zonas más densas giran más rápido (el patinador con los brazos junto al cuerpo gira más rápido). 

• En la galaxia hay menos estrellas conforme nos alejamos del centro.

¿Cómo explicamos entonces ese aumento inesperado de la velocidad a grandes distancias del centro galáctico? Vera Rubin propuso una explicación muy sencilla y a la vez muy controvertida:

En los linderos de nuestra galaxia debe haber más materia de la que creíamos, materia que no emite y que no podemos ver. Materia oscura. 

Hoy en día, esta idea está más que asumida, y definimos la materia oscura como masa que no podemos ver, que no emite en ninguna parte del espectro ni reacciona ni interactúa de ninguna forma que conozcamos, excepto gravitacionalmente. Por eso, cuando vemos objetos que se mueven de una forma que no deberían o con una velocidad que no deberían y no somos capaces de detectar ningún otro cuerpo habitual que lo esté causando, la materia oscura entra en escena.