Felices vacaciones de verano.
Hace 1 semana
lunes, julio 21, 2008
domingo, julio 20, 2008
La edad del universo ¿una coincidencia cósmica? (Segunda parte)
En la entrada La edad del universo ¿una coincidencia cósmica? vimos una interesante coincidencia en la edad del universo. Se trata de que la edad del universo actual en el modelo cosmológico estándar es igual al inverso del parámetro de Hubble 
con un error de menos de 1%, siendo que realmente la expresión general para la edad en un modelo cosmológico cualquiera es mucho más compleja. ¿Es esta coincidencia de menos de 1% algo que requiere ser explicado, o se trata de una casualidad sin importancia? La cosmología actual no nos da una respuesta a esta pregunta.
En la literatura científica hay alguna que otra idea sugerente al respecto. Entre ellas hoy nos va a ocupar un artículo con el pomposo título Age of the Universe, Average Deceleration Parameter and Possible Implications for the End of Cosmology, que, dicho sea de paso, no me consta que haya sido publicado (¿aún?). En cualquier caso, el artículo nos valdrá para profundizar algo más en el tema tratado en aquella primera entrada.
La reflexión inicial en tal artículo es la siguiente. Partamos del parámetro de deceleración
. Este es un valor adimensional que mide cuánto decelera la expansión del universo. Un valor menor que cero significa que la expansión acelera y uno mayor que cero significa que la expansión decelera. Si uno calcula el promedio del valor del parámetro de deceleración desde la singularidad inicial hasta un valor del tiempo 
:
 = \frac{1}{t_0} \int_0^{t_0} q(t) dt)
obtiene, insertando definiciones estándar, una expresión de la cual puede despejar el valor como
})
De esto se ve que para que el promedio del parámetro de deceleración debe ser cero. ¿Qué interpretación física se le puede dar a esto? La idea es que el universo evoluciona de tal forma que tal promedio, nulo, se mantiene más o menos. Existe una solución cosmológica en torno a la cual la evolución real del universo oscila. Esta es la solución para la cual se cumple 
de forma exacta y no sólo en promedio. No es difícil mostrar que a partir de las dos ecuaciones de Friedmann se obtiene
con
el parámetro de estado que relaciona presión con densidad para un componente del universo 
. Para que el parámetro de deceleración sea cero se debe cumplir 
. Este parámetro de estado aparece de forma más o menos natural en ciertas soluciones denominadas k-essence, pero en cualquier caso el mecanismo que debería ser responsable de las oscilaciones en el parámetro de deceleración en torno a esa solución es desconocido y desconocida es también la forma y cinemática de tales oscilaciones. En defintiva, el artículo sugiere una idea, pero no la justifica de ninguna forma.
El parámetro de deceleración nulo se da para siempre y cuando el universo contenga materia. Adicionalmente un parámetro de deceleración nulo también se da en un modelo de universo completamente vacío (el universo de Milne) que expande de forma lineal. Este modelo también ha sido usado para intentar explicar la coincidencia o al menos para intentar profundizar sobre su significado. Eso para otra entrada.
En la literatura científica hay alguna que otra idea sugerente al respecto. Entre ellas hoy nos va a ocupar un artículo con el pomposo título Age of the Universe, Average Deceleration Parameter and Possible Implications for the End of Cosmology, que, dicho sea de paso, no me consta que haya sido publicado (¿aún?). En cualquier caso, el artículo nos valdrá para profundizar algo más en el tema tratado en aquella primera entrada.
La reflexión inicial en tal artículo es la siguiente. Partamos del parámetro de deceleración
obtiene, insertando definiciones estándar, una expresión de la cual puede despejar el valor
De esto se ve que para que
con
El parámetro de deceleración nulo se da para
viernes, julio 18, 2008
Filtración de la gravedad y energía oscura
Mucho se ha hablado sobre Gia Dvali y su modelo de branas con filtración de la gravedad. Ejemplos de noticias las tenemos por ejemplo en Leaking Gravity May Explain Cosmic Puzzle o en Evidencia muy cercana de energía oscura. Pese a ser un tema ciertamente complejo creo que la física puede entenderse de forma intuitiva sin necesidad de quedarse en la imagen muy incompleta que tales artículos proporcinan.
Los modelos de Dvali se encuentran detalladamente expuestos en Cosmology on a Brane in Minkowski Bulky y 4D Gravity on a Brane in 5D Minkowski Space, que son los artículos que yo he tomado como referencia.
Para entender los modelos empezemos recordando que la acción de la gravitación sobre la materia y vice-versa es proporcional a la constante de gravitación
. Las ecuaciones de Einstein - de la relatividad general - las cuales nos describen tal comportamiento, contienen una parte que nos describe la gravitación como tal - o la geometría del espacio-tiempo - y otra que nos describen la materia. Parafraseando a Wheeler: la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse. Ambos procesos están en relación a través de la constante de gravitación. En el marco de la relatividad general esto es válido para todo espacio-tiempo de cuatro dimensiones, en concreto tres espaciales y una temporal (3+1).
Si uno extrapola la validez de las ecuaciones de la relatividad general a un espacio-tiempo de cuatro dimensiones espaciales y una temporal (4+1) las cosas no cambian básicamente. Aquí la geometría del espacio-tiempo de cinco dimensiones queda determinada por la distribución de materia y ambas vienen acopladas a través de una constante de gravitación. Tal constante la denotaremos})
para diferenciarla, en principio, de , aquella válida para la relación entre geometría y materia en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones.
Las cosas se ponen interesantes cuando uno considera que dentro del espacio-tiempo de cinco dimensiones la materia no está libremente distribuida, sino que está confinada en una 3-brana. Esto es un subespacio de tres dimensiones dentro del espacio de cuatro dimensiones. A su vez, la 3-brana y el tiempo conforman un espacio-tiempo de cuatro dimensiones dentro del espacio-tiempo de cinco dimensiones.
En una situación así es de esperar que la materia en la 3-brana de lugar de forma natural a un efecto sobre la gravitación en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Una forma de entender esto es en analogía con parte de lo mencionado en la entrada Speed of Light in Non-Trivial Vacua.
Recordemos que en aquella entrada considerabamos por un lado la propagación (o el propagador) de un fotón libre en una supuesta teoría que no contempla la interacción del campo electromagnético con el campo que da lugar a fermiones elementales de carga eléctrica no nula (por ejemplo, electrones y positrones). Esta propagación queda representada por la línea 1 de la figura de abajo:
Luego considerabamos el fotón en una teoría que contempla la interacción del campo electromagnético con el campo que da lugar a fermiones elementales de carga eléctrica no nula. Este es el caso más realista. En el caso de interacciones el propagador es corregido por efectos cuánticos. Estas interacciones se modelan como partículas virtuales, que son líneas internas en los diagramas (líneas que no tienen un extremo libre).
Precisamente estos efectos cuánticos pueden considerarse como una expansión en serie de diferentes formas. Una de ellas es en función del número de lazos (loops). El diagrama 2 de la figura de arriba nos muestra la corrección de un lazo al propagador del fotón y considera las correcciones de dos lazos como despreciables. El significado físico de ese diagrama es que el fotón, mientras se propaga, se convierte en un par electrón-positrón, los cuales se aniquilan luego en un fotón, que sigue propagándose. A este fenómeno se lo conoce con el nombre de polarización del vacío. El fotón propagándose por el vacío en el espacio-tiempo con todas sus correcciones debido a interacción con las partículas de carga eléctrica, se propaga por definición, en ese vacío de referencia, a la velocidad c.
En tal vacío, real y con interacciones, existe una corrección a su propagador que en primer órden equivale al diagrama 2. En aquella entrada mencionabamos que tal corrección abre una puerta a que la propagación sea a diferente velocidad en diferentes vacíos. Sobre el par electrón-positrón pueden actuar diferentes modificaciones del vacío, como por ejemplo un campo magnético externo. Una influencia de este tipo actúa diréctamente sobre la propagación del fotón. También otras como un campo gravitatorio o una cavidad dando lugar a un vacío de Casimir.
Lo que nos interesa es entender en general esta idea de la propagación y las partículas virtuales y su potencial influencia en la propagación del fotón. Pues bien, aquí la situación, con la gravitación en cinco dimensiones y la 3-brana es curisamente algo similar. No se trata aquí de posibles variaciones en la velocidad de propagación del fotón, sino de un efecto restrictivo, geométrico, en la propagación del gravitón que supuestamente porta la interacción gravitatoria. En cierta corrección al propagador, el gravitón que se propaga por el espacio-tiempo de cinco dimensiones, puede ser convertido en un par fermión-antifermión. Estos fermiones están confinados en la 3-brana, con lo que el gravitón está obligado en cierta corrección a actuar sobre la 3-brana o el espacio-tiempo de cuatro dimensiones.
Esto da lugar a la existencia de un término adicional en la acción de la gravitación sobre la materia. Recordemos que en cinco dimensiones espacio-temporales la acción de la gravitación (espacio-tiempo) sobre la materia y vice-versa es proporcional a la constante de gravitación. Ahora tenemos, adicionalmente, un término de acción de la gravitación sobre la materia y vice-versa ha de ser proporcional a la constante de gravitación en cuatro dimensiones , ya que se trata de materia en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones actuando sobre la geometría en cuatro dimensiones, u obligando a la geometría de cinco dimensiones a tenerla en cuenta sólo en un subespacio de cuatro.
Ahora pensemos en un modelo cosmológico para el espacio-tiempo de cuatro dimensiones dentro de ese espacio-tiempo de cinco. Tal modelo impondrá el principio cosmológico de homogeneidad e isotropía en la 3-brana. Varias posibilidades se presentan:
Pues bien, lo que Dvali muestra es que para la última situación, en determinados casos, esa corrección actúa acelerando la expansión del espacio. Además, y esto no en determinados casos sino siempre, existe una ligera desviación en la gravitación newtoniana y su ley del inverso del cuadrado de la distancia. El escape de los gravitones da lugar a un debilitamiento de la gravitación. Esto se puede entender pensando en la ley de Gauss que nos proporciona una forma de calcular la fuerza gravitatoria en una superficie que incluye fuentes (masas) en el volumen que contiene. Si las dimensiones adicionales actúan como sumideros, la fuerza en la superficie puede disminuir. Nótese que este disminuir no significa necesariamente que tal fuerza deba hacerse repulsiva a grandes escalas imitando una energía oscura que acelera la expansión del espacio. Este fenómeno no es nada trivial y es una consecuencia del modelo que se da sólo bajo determinadas situaciones.
Esto hasta aquí que ya me he extendido mucho. Quizás para otra vez algún que otro detalle más sobre estos modelos cosmológicos.
Los modelos de Dvali se encuentran detalladamente expuestos en Cosmology on a Brane in Minkowski Bulky y 4D Gravity on a Brane in 5D Minkowski Space, que son los artículos que yo he tomado como referencia.
Para entender los modelos empezemos recordando que la acción de la gravitación sobre la materia y vice-versa es proporcional a la constante de gravitación
Si uno extrapola la validez de las ecuaciones de la relatividad general a un espacio-tiempo de cuatro dimensiones espaciales y una temporal (4+1) las cosas no cambian básicamente. Aquí la geometría del espacio-tiempo de cinco dimensiones queda determinada por la distribución de materia y ambas vienen acopladas a través de una constante de gravitación. Tal constante la denotaremos
Las cosas se ponen interesantes cuando uno considera que dentro del espacio-tiempo de cinco dimensiones la materia no está libremente distribuida, sino que está confinada en una 3-brana. Esto es un subespacio de tres dimensiones dentro del espacio de cuatro dimensiones. A su vez, la 3-brana y el tiempo conforman un espacio-tiempo de cuatro dimensiones dentro del espacio-tiempo de cinco dimensiones.
En una situación así es de esperar que la materia en la 3-brana de lugar de forma natural a un efecto sobre la gravitación en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Una forma de entender esto es en analogía con parte de lo mencionado en la entrada Speed of Light in Non-Trivial Vacua.
Recordemos que en aquella entrada considerabamos por un lado la propagación (o el propagador) de un fotón libre en una supuesta teoría que no contempla la interacción del campo electromagnético con el campo que da lugar a fermiones elementales de carga eléctrica no nula (por ejemplo, electrones y positrones). Esta propagación queda representada por la línea 1 de la figura de abajo:
Luego considerabamos el fotón en una teoría que contempla la interacción del campo electromagnético con el campo que da lugar a fermiones elementales de carga eléctrica no nula. Este es el caso más realista. En el caso de interacciones el propagador es corregido por efectos cuánticos. Estas interacciones se modelan como partículas virtuales, que son líneas internas en los diagramas (líneas que no tienen un extremo libre).
Precisamente estos efectos cuánticos pueden considerarse como una expansión en serie de diferentes formas. Una de ellas es en función del número de lazos (loops). El diagrama 2 de la figura de arriba nos muestra la corrección de un lazo al propagador del fotón y considera las correcciones de dos lazos como despreciables. El significado físico de ese diagrama es que el fotón, mientras se propaga, se convierte en un par electrón-positrón, los cuales se aniquilan luego en un fotón, que sigue propagándose. A este fenómeno se lo conoce con el nombre de polarización del vacío. El fotón propagándose por el vacío en el espacio-tiempo con todas sus correcciones debido a interacción con las partículas de carga eléctrica, se propaga por definición, en ese vacío de referencia, a la velocidad c.
En tal vacío, real y con interacciones, existe una corrección a su propagador que en primer órden equivale al diagrama 2. En aquella entrada mencionabamos que tal corrección abre una puerta a que la propagación sea a diferente velocidad en diferentes vacíos. Sobre el par electrón-positrón pueden actuar diferentes modificaciones del vacío, como por ejemplo un campo magnético externo. Una influencia de este tipo actúa diréctamente sobre la propagación del fotón. También otras como un campo gravitatorio o una cavidad dando lugar a un vacío de Casimir.
Lo que nos interesa es entender en general esta idea de la propagación y las partículas virtuales y su potencial influencia en la propagación del fotón. Pues bien, aquí la situación, con la gravitación en cinco dimensiones y la 3-brana es curisamente algo similar. No se trata aquí de posibles variaciones en la velocidad de propagación del fotón, sino de un efecto restrictivo, geométrico, en la propagación del gravitón que supuestamente porta la interacción gravitatoria. En cierta corrección al propagador, el gravitón que se propaga por el espacio-tiempo de cinco dimensiones, puede ser convertido en un par fermión-antifermión. Estos fermiones están confinados en la 3-brana, con lo que el gravitón está obligado en cierta corrección a actuar sobre la 3-brana o el espacio-tiempo de cuatro dimensiones.
Esto da lugar a la existencia de un término adicional en la acción de la gravitación sobre la materia. Recordemos que en cinco dimensiones espacio-temporales la acción de la gravitación (espacio-tiempo) sobre la materia y vice-versa es proporcional a la constante de gravitación
Ahora pensemos en un modelo cosmológico para el espacio-tiempo de cuatro dimensiones dentro de ese espacio-tiempo de cinco. Tal modelo impondrá el principio cosmológico de homogeneidad e isotropía en la 3-brana. Varias posibilidades se presentan:
- Si las fluctuaciones cuánticas de la brana no existen, entonces el efecto mencionado sobre el gravitón no aparece y tampoco aparece el término de la acción mencionado. Con ello resulta una cosmología similar a la del espacio-tiempo de cuatro dimensiones para la 3-brana en el tiempo pero controlada por la constante de gravitación en cinco dimensiones.
- Si las fluctuaciones cuánticas de la brana existen y
entonces se recobra la cosmología usual en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La condición es realmente algo diferente e involucra también al radio de Hubble, pero intuitivamente nos podemos quedar con esta. Tal condición viene a significar que la gravitación en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones no es influida por los efectos gravitatorios de un espacio-tiempo de dimensión superior. Para el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, el espacio-tiempo de cinco es como si no existiera.
- Por último, y este es el caso interesante, Si las fluctuaciones cuánticas de la brana existen y no se cumple
Pues bien, lo que Dvali muestra es que para la última situación, en determinados casos, esa corrección actúa acelerando la expansión del espacio. Además, y esto no en determinados casos sino siempre, existe una ligera desviación en la gravitación newtoniana y su ley del inverso del cuadrado de la distancia. El escape de los gravitones da lugar a un debilitamiento de la gravitación. Esto se puede entender pensando en la ley de Gauss que nos proporciona una forma de calcular la fuerza gravitatoria en una superficie que incluye fuentes (masas) en el volumen que contiene. Si las dimensiones adicionales actúan como sumideros, la fuerza en la superficie puede disminuir. Nótese que este disminuir no significa necesariamente que tal fuerza deba hacerse repulsiva a grandes escalas imitando una energía oscura que acelera la expansión del espacio. Este fenómeno no es nada trivial y es una consecuencia del modelo que se da sólo bajo determinadas situaciones.
Esto hasta aquí que ya me he extendido mucho. Quizás para otra vez algún que otro detalle más sobre estos modelos cosmológicos.
miércoles, julio 16, 2008
A la caza de las enanas marrones - WISE
La naturaleza, evolución y población de enanas marrones es una de las grandes preguntas abiertas en la teoría y observaciones estelares. La misión WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA será un telescopio infrarrojo en órbita que deberá revelar definitivamente la naturaleza y el alcance de la población de enanas marrones.
Nuevas clases espectrales
La presión en el interior de estrellas con masas de menos de unas 0.08 masas solares (unas 80 veces la masa de júpiter) no es suficientemente alta para dar lugar a la fusión de hidrógeno en helio. Sin esta fuente de energía estas estrellas se enfrían hasta hacerse básicamente invisibles en el rango óptico del espectro electromagnético. No obstante, pueden ser detectadas en la región infrarroja del espectro.
Varios nuevos tipos espectrales, L y T, y adicionalmente también el Y, fueron definidos hace relativamente poco tiempo por el ahora investigador de WISE Davy Kirkpatrick para poder clasificar las enanas marrones dentro de la clasificación estelar OBAFGKM.
La letra L fue elegida por ser alfabéticamente cercana a M. La clase M contiene las estrellas frías como enanas rojas pero también supergigantes. Algunos de los objetos de la clase L tienen masa lo suficientemente grande como para iniciar la fusión de hidrógeno en helio, pero en general este no es el caso y se dice que su masa es subestelar. Con ello se diferencia entre estellas como tales, capaces de generar fusión, y enanas marrones en este caso de tipo L. Las enanas del tipo L son de color rojo muy oscuro, pero brillantes en el infrarrojo. Por otro lado, la clase T son enanas aún más frías con temperaturas de la superficie de entre 1500 y 700K. Por último, la postulada clase Y, aún más frías que las T y denominadas enanas marrones ultra-frías, con temperaturas superficiales menores que 700 K.
En general, tanto las enanas marrones como los planetas gigantes tipo júpiter emiten una gran parte de su radiación en el infrarrojo cercano a los 5 micrones. Dado que su combustible es sólo su agitación térmica estos objetos tienen una vida muy larga.
Evolución y población de enanas marrones
Las enanas marrones podrían ser las más comunes e incluso superar en número al resto de estrellas de todas las otras clases juntas. Estas estimaciones se basan especialmente en el estudio de discos protoplanetarios, que indican que el número de estrellas en la galaxia debería ser varios órdenes de magnitud superior a lo que observamos hoy. El resto inobservado de estrellas deberían ser precisamente enanas marrones.
La teoría sugiere que los discos protoplanetarios, formados inicialmente por colapso de nubes (teoría de Jeans), se encuentran en una carrera evolutiva los unos contra los otros: el primero de ellos en formarse se convertirá en una protoestrella, que será muy probablemente un objeto muy violento emitiendo fuertes vientos estelares con altas presiones, y, con ello, barriendo el gas de los los discos protoplanetarios vecinos y destrozándolos. Tras ello, estos discos protoplanetarios destrozados, y faltos de masa, probablemente se convertirán en enanas marrones de clases L, T o Y. Dado que viven tanto tiempo, estos objetos se acumularán a lo largo del tiempo y pasarán a englosar el grueso de objetos en la galaxia.
De hecho, hay estudios que demuestran que quizás existan unas 200 enanas marrones con una masa 10 veces la masa de júpiter a menor distancia que unos 8 parsec (26 años luz) del sol. En general, la población de objetos de este tipo en el vecindario galáctico debería ser igual de grande que la estelar.
La siguiente figura representa una muestra de estrellas dentro de un radio de 26 años luz del sol visibles desde el hemisferio norte. Las estrellas están a la izquierda y una estimación del número de enanas marrones en la derecha. A pesar de que existen al menos el mismo número de enanas marrones que estrellas, las estrellas son los responsables de la mayor parte de la masa.
Estadísticamente hablando hay una probabilidad considerable de que exista una enana marrón más cercana al sol que Proxima Centauri.
La misión WISE
A pesar del éxito de censos como el 2MASS y el SDSS no se han podido encontrar las enanas marrones más frías que unos 750 K. Los objetos más fríos emiten en una región que queda inexplorada por los censos y es precisamente en esta región donde trabajará WISE. Con WISE será posible observar enanas marrones de 450 K a unos 75 años luz de distancia, enanas marrones de 300 K a unos 20 años luz y enanas marrones de 150 K a unos 10 años luz.
WISE será sensible básicamente a la radiación en 5 micrones. La figura de abajo muestra una gráfica de la emisión electromagnética de un planeta tipo júpiter (FFP) a una distancia de un año luz de nosotros y la de una enana marrón (BD) de 200 K a la distancia de Próxima Centauri. Frente a estas curvas se muestra la sensitividad de WISE.
WISE será un satélite que estará en órbita alrededor de la tierra. Su telescopio de 40 cm y los detectores se mantendrán muy fríos (15 K) para ser sensitivos a la radiación infrarroja. Su lanzamiento está previsto para finales del 2009. Todavía un largo tiempo, pero este es sin duda un proyecto que merece nuestra atención. El investigador principal de WISE es Ned Wright.
Referencias e información adicional
Nuevas clases espectrales
La presión en el interior de estrellas con masas de menos de unas 0.08 masas solares (unas 80 veces la masa de júpiter) no es suficientemente alta para dar lugar a la fusión de hidrógeno en helio. Sin esta fuente de energía estas estrellas se enfrían hasta hacerse básicamente invisibles en el rango óptico del espectro electromagnético. No obstante, pueden ser detectadas en la región infrarroja del espectro.
Varios nuevos tipos espectrales, L y T, y adicionalmente también el Y, fueron definidos hace relativamente poco tiempo por el ahora investigador de WISE Davy Kirkpatrick para poder clasificar las enanas marrones dentro de la clasificación estelar OBAFGKM.
La letra L fue elegida por ser alfabéticamente cercana a M. La clase M contiene las estrellas frías como enanas rojas pero también supergigantes. Algunos de los objetos de la clase L tienen masa lo suficientemente grande como para iniciar la fusión de hidrógeno en helio, pero en general este no es el caso y se dice que su masa es subestelar. Con ello se diferencia entre estellas como tales, capaces de generar fusión, y enanas marrones en este caso de tipo L. Las enanas del tipo L son de color rojo muy oscuro, pero brillantes en el infrarrojo. Por otro lado, la clase T son enanas aún más frías con temperaturas de la superficie de entre 1500 y 700K. Por último, la postulada clase Y, aún más frías que las T y denominadas enanas marrones ultra-frías, con temperaturas superficiales menores que 700 K.
En general, tanto las enanas marrones como los planetas gigantes tipo júpiter emiten una gran parte de su radiación en el infrarrojo cercano a los 5 micrones. Dado que su combustible es sólo su agitación térmica estos objetos tienen una vida muy larga.
Evolución y población de enanas marrones
Las enanas marrones podrían ser las más comunes e incluso superar en número al resto de estrellas de todas las otras clases juntas. Estas estimaciones se basan especialmente en el estudio de discos protoplanetarios, que indican que el número de estrellas en la galaxia debería ser varios órdenes de magnitud superior a lo que observamos hoy. El resto inobservado de estrellas deberían ser precisamente enanas marrones.
La teoría sugiere que los discos protoplanetarios, formados inicialmente por colapso de nubes (teoría de Jeans), se encuentran en una carrera evolutiva los unos contra los otros: el primero de ellos en formarse se convertirá en una protoestrella, que será muy probablemente un objeto muy violento emitiendo fuertes vientos estelares con altas presiones, y, con ello, barriendo el gas de los los discos protoplanetarios vecinos y destrozándolos. Tras ello, estos discos protoplanetarios destrozados, y faltos de masa, probablemente se convertirán en enanas marrones de clases L, T o Y. Dado que viven tanto tiempo, estos objetos se acumularán a lo largo del tiempo y pasarán a englosar el grueso de objetos en la galaxia.
De hecho, hay estudios que demuestran que quizás existan unas 200 enanas marrones con una masa 10 veces la masa de júpiter a menor distancia que unos 8 parsec (26 años luz) del sol. En general, la población de objetos de este tipo en el vecindario galáctico debería ser igual de grande que la estelar.
La siguiente figura representa una muestra de estrellas dentro de un radio de 26 años luz del sol visibles desde el hemisferio norte. Las estrellas están a la izquierda y una estimación del número de enanas marrones en la derecha. A pesar de que existen al menos el mismo número de enanas marrones que estrellas, las estrellas son los responsables de la mayor parte de la masa.
Estadísticamente hablando hay una probabilidad considerable de que exista una enana marrón más cercana al sol que Proxima Centauri.
La misión WISE
A pesar del éxito de censos como el 2MASS y el SDSS no se han podido encontrar las enanas marrones más frías que unos 750 K. Los objetos más fríos emiten en una región que queda inexplorada por los censos y es precisamente en esta región donde trabajará WISE. Con WISE será posible observar enanas marrones de 450 K a unos 75 años luz de distancia, enanas marrones de 300 K a unos 20 años luz y enanas marrones de 150 K a unos 10 años luz.
WISE será sensible básicamente a la radiación en 5 micrones. La figura de abajo muestra una gráfica de la emisión electromagnética de un planeta tipo júpiter (FFP) a una distancia de un año luz de nosotros y la de una enana marrón (BD) de 200 K a la distancia de Próxima Centauri. Frente a estas curvas se muestra la sensitividad de WISE.
WISE será un satélite que estará en órbita alrededor de la tierra. Su telescopio de 40 cm y los detectores se mantendrán muy fríos (15 K) para ser sensitivos a la radiación infrarroja. Su lanzamiento está previsto para finales del 2009. Todavía un largo tiempo, pero este es sin duda un proyecto que merece nuestra atención. El investigador principal de WISE es Ned Wright.
Referencias e información adicional
- The Next Generation Sky Survey and the Quest for Cooler Brown Dwarfs, J. Davy Kirkpatrick (IPAC/Caltech), astro-ph/0207655.
- L Dwarfs and the Substellar Mass Function, I.N. Reid, et al, astro-ph/9905170.
- WISE mission y WISE science: brown dwarfs.
- Ned Wright: Wide-field Infrared Survey Explorer.
- WISE fact sheet.
- Stellar classification, wikipedia.
lunes, julio 14, 2008
Galaxias activas
Entre otras cosas este blog ha resultado serme útil para recopilar en él mis aportaciones o resúmenes de discusiones interesantes en foros. Aquí viene una reciente aportación en el foro de la web de física sobre galaxias activas. Se trata de una muy corta introducción a las característicias principales desde un punto de vista más bien teórico, algo diferente a los artículos de wikipedia y basado en la segunda parte (la teoría) del capítulo correspondiente en [1].
Las galaxias activas son galaxias con un núcleo de actividad o luminosidad sobresaliente en alguna parte del espectro. El nombre común a esta variedad de fenómenos observados refleja también una naturaleza común que la proporciona la existencia de un disco de acreción.
El disco de acreción
El disco de acreción en estos casos circunda a un agujero negro supermasivo central. Generalmente la materia del disco de acreción cae hacia el agujero negro y la energía gravitacional es transformada en calor, haciendo que el disco emita radión térmica, usualmente en el ultravioleta extremo (que para galaxias activas se suele conocer como "big blue bump").
En general, la cantidad de materia por unidad de tiempo que puede caer en un agujero negro depende de la presión de la radiación que esta misma materia genera. Si la presión de radiación es muy grande aparece un límite, denominado límite de Eddington, en el cual existe un equilibrio hidroestático entre la presión de radiación y la gravitación de la materia. El cociente entre la luminosidad del disco de acreción y la luminosidad de Eddington, en definitiva la tasa de acreción, es uno de los factores más determinantes de la estructura y forma del disco de acreción.
Precisamente la forma del disco de acreción y su orientación relativa respecto a nosotros determina el tipo de fenómeno que observamos. Por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente.
Las líneas de emisión
Por otro lado, esta emisión electromagnética del disco se observa como un continuo fuerte mas unas líneas anchas ("broad line region") y también unas líneas algo más estrechas ("narrow line region").
El continuo aparece debido a la emisión térmica cerca del agujero negro y las líneas anchas son debido a gas algo más lejano, aunque aún cercano, excitado por la emisión de continuo. El ensanchamiento de las líneas es consecuencia de un ensanchamiento Doppler, ya que el gas está suficiéntemente cerca del agujero negro como para rotar por su acción y también como para no poder ser resuelta tal rotación observacionalmente. Adicionalmente también se excita material más lejano que resulta en la emisión de líneas más estrechas, al no sufrir estas líneas ensanchamiento Doppler.
La corona
Otro componente, aunque no tan relevante, es la existencia de una denominada corona. A diferencia del disco de acreción la corona no es un componente que se espera encontrar en el núcleo de todas las galaxias activas.
La corona es un envolvente de electrones y protones muy energéticos los cuales interactúan con los fotones emitidos, dándoles aún más energía y convirtiéndolos en rayos-X (scattering de Compton inverso) y dando lugar a un continuo de rayos-X. Esta nube de electrones y protones se forma debido a la existencia de campos magnéticos como consecuencia de la carga eléctrica del agujero negro en rotación (lo que se conoce como mecanismo de Blandford-Znajek).
Los jets y la emisión de radio
Hay luego otra característica fundamental que es diferenciadora y clasifica a las galaxias activas en dos grupos básicamente. Se trata de la existencia de jets.
Los jets se forman cuando la materia es expelida por aceleraciones en el campo magnético. Presentan emisión de radio por sincrotrón y usualmente polarización de la radiación. Probablemente cierto fenómeno de jet aparezca siempre debido a los campos magnéticos, pero es un hecho que existen algunos núcleos de galaxias activas con jets potentísimos en la emisión de radio. Esto clasifica a las galaxias activas en radio-quiet y radio-loud.
Las galaxias activas radio-quiet se asume que corresponden con acreciones moderadas con agujeros negros de masa relativamente pequeña, mientras que las galaxias activas radio-loud corresponden con acreciones fuertes y agujeros negros de gran masa.
La variabilidad
Por último hay que mencionar la variabilidad. Este fenómeno se da de forma muy variada y tomando todas las observaciones se puede decir que aparece en todo el espectro electromagnético. Hay básicamente dos tipos, de corto plazo y de largo plazo.
En general, la variabilidad a corto plazo es un fenómeno que se cree nos dice algo sobre la forma del emisor en la región, como por ejemplo inhomogeneidades, flujos relativistas variables, etc. Para la variabilidad a largo plazo se postulan por ejemplo como causa cambios en la estructura del disco de acreción. No hay un modelo unificador para explicar la variabilidad en todo el espectro y la cantidad de hipótesis propuestas es variada.
Clasificación
Dejando de lado la emisión de contínuo, que es relativamente similar en todas las galaxias activas, se tienen por tanto las siguientes características: (i) líneas anchas y estrechas (ii) emisión de rayos-X (iii) emisión de radio (iv) polarización de la luz (v) variabilidad y (vi) tipo de galaxia en la que se encuentra el núcleo activo. Estas observaciones se reparten de la siguiente forma en las siguientes clases de objetos (clasificación según Carroll & Ostlie [1]):
Existen modelos que unifican las observaciones basandose en las características mencionadas arriba. Como hemos mencionado, por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente. La unificación entre radio-quiet y radio-loud no parece del todo posible por un mismo modelo y aparentemente son clases de objetos diferentes debido a la naturaleza del disco de acreción, especialmente la tasa de acreción que ocurre en él. La imagen de abajo nos muestra cómo las diferentes observaciones pueden resultar de un mismo objeto:
Otra imagen más en la red para ilustrar la situación. La parte de arriba representa el modelo radio-loud y la de abajo el radio-quiet (son modelos diferentes, ya que, el jet, si existe, aparece en ambas direcciones):
Referencias
[1] An Introduction to Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Active galactic nucleus, wikipedia
Las galaxias activas son galaxias con un núcleo de actividad o luminosidad sobresaliente en alguna parte del espectro. El nombre común a esta variedad de fenómenos observados refleja también una naturaleza común que la proporciona la existencia de un disco de acreción.
El disco de acreción
El disco de acreción en estos casos circunda a un agujero negro supermasivo central. Generalmente la materia del disco de acreción cae hacia el agujero negro y la energía gravitacional es transformada en calor, haciendo que el disco emita radión térmica, usualmente en el ultravioleta extremo (que para galaxias activas se suele conocer como "big blue bump").
En general, la cantidad de materia por unidad de tiempo que puede caer en un agujero negro depende de la presión de la radiación que esta misma materia genera. Si la presión de radiación es muy grande aparece un límite, denominado límite de Eddington, en el cual existe un equilibrio hidroestático entre la presión de radiación y la gravitación de la materia. El cociente entre la luminosidad del disco de acreción y la luminosidad de Eddington, en definitiva la tasa de acreción, es uno de los factores más determinantes de la estructura y forma del disco de acreción.
Precisamente la forma del disco de acreción y su orientación relativa respecto a nosotros determina el tipo de fenómeno que observamos. Por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente.
Las líneas de emisión
Por otro lado, esta emisión electromagnética del disco se observa como un continuo fuerte mas unas líneas anchas ("broad line region") y también unas líneas algo más estrechas ("narrow line region").
El continuo aparece debido a la emisión térmica cerca del agujero negro y las líneas anchas son debido a gas algo más lejano, aunque aún cercano, excitado por la emisión de continuo. El ensanchamiento de las líneas es consecuencia de un ensanchamiento Doppler, ya que el gas está suficiéntemente cerca del agujero negro como para rotar por su acción y también como para no poder ser resuelta tal rotación observacionalmente. Adicionalmente también se excita material más lejano que resulta en la emisión de líneas más estrechas, al no sufrir estas líneas ensanchamiento Doppler.
La corona
Otro componente, aunque no tan relevante, es la existencia de una denominada corona. A diferencia del disco de acreción la corona no es un componente que se espera encontrar en el núcleo de todas las galaxias activas.
La corona es un envolvente de electrones y protones muy energéticos los cuales interactúan con los fotones emitidos, dándoles aún más energía y convirtiéndolos en rayos-X (scattering de Compton inverso) y dando lugar a un continuo de rayos-X. Esta nube de electrones y protones se forma debido a la existencia de campos magnéticos como consecuencia de la carga eléctrica del agujero negro en rotación (lo que se conoce como mecanismo de Blandford-Znajek).
Los jets y la emisión de radio
Hay luego otra característica fundamental que es diferenciadora y clasifica a las galaxias activas en dos grupos básicamente. Se trata de la existencia de jets.
Los jets se forman cuando la materia es expelida por aceleraciones en el campo magnético. Presentan emisión de radio por sincrotrón y usualmente polarización de la radiación. Probablemente cierto fenómeno de jet aparezca siempre debido a los campos magnéticos, pero es un hecho que existen algunos núcleos de galaxias activas con jets potentísimos en la emisión de radio. Esto clasifica a las galaxias activas en radio-quiet y radio-loud.
Las galaxias activas radio-quiet se asume que corresponden con acreciones moderadas con agujeros negros de masa relativamente pequeña, mientras que las galaxias activas radio-loud corresponden con acreciones fuertes y agujeros negros de gran masa.
La variabilidad
Por último hay que mencionar la variabilidad. Este fenómeno se da de forma muy variada y tomando todas las observaciones se puede decir que aparece en todo el espectro electromagnético. Hay básicamente dos tipos, de corto plazo y de largo plazo.
En general, la variabilidad a corto plazo es un fenómeno que se cree nos dice algo sobre la forma del emisor en la región, como por ejemplo inhomogeneidades, flujos relativistas variables, etc. Para la variabilidad a largo plazo se postulan por ejemplo como causa cambios en la estructura del disco de acreción. No hay un modelo unificador para explicar la variabilidad en todo el espectro y la cantidad de hipótesis propuestas es variada.
Clasificación
Dejando de lado la emisión de contínuo, que es relativamente similar en todas las galaxias activas, se tienen por tanto las siguientes características: (i) líneas anchas y estrechas (ii) emisión de rayos-X (iii) emisión de radio (iv) polarización de la luz (v) variabilidad y (vi) tipo de galaxia en la que se encuentra el núcleo activo. Estas observaciones se reparten de la siguiente forma en las siguientes clases de objetos (clasificación según Carroll & Ostlie [1]):
- Galaxias Seyfert: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio débil, emisión de rayos-X y gamma hasta 100 keV, tienen lugar en galaxias espirales, y presentan variabilidad. Se clasifican en tipo 1 y tipo 2. Las de tipo 1 son variables y tienen una emisión de rayos-X más fuerte que las de tipo 2, las cuales, a su vez, no presentan variabilidad.
- Cuásares: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio, variabilidad, emisión de rayos X y gamma hasta 100 MeV. Se clasifican en radio-quiet y radio-loud. Las radio-loud presentan una fuerte emisión de radio y polarización.
- Galaxias radio: Sus características generales son emisión de radio fuerte (son radio-loud), tienen lugar en galaxias elípticas, y no presentan variabilidad. Se clasifican en BLRG (Broad Line Radio Galaxy) y Galaxias radio, NLRG (Narrow Line Radio Galaxy). Las BLRG presentan líneas anchas y adicionalmente polarización. Las NLRG presentan líneas estrechas.
- Blazars: Sus características generales son una emisión de radio muy fuerte con un jet en la línea de visión y polarización, además de variabilidad y una luminosidad muy alta. Se clasifican en objetos BL Lac que no tienen líneas y se encuentran todos a desplazamientos al rojo muy altos, y cuásares OVV (Optically Violent Variable) con líneas anchas y estrechas y mucho más luminosos que los objetos BL Lac.
- Por último están los objetos ULIRG (Ultra-Luminous Infrared Galaxy) que son cuásares envueltos en polvo interestelar, y los objetos LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Regions) que son probablemente galaxias espirales con starburst o regiones de HII con emision fuerte.
Existen modelos que unifican las observaciones basandose en las características mencionadas arriba. Como hemos mencionado, por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente. La unificación entre radio-quiet y radio-loud no parece del todo posible por un mismo modelo y aparentemente son clases de objetos diferentes debido a la naturaleza del disco de acreción, especialmente la tasa de acreción que ocurre en él. La imagen de abajo nos muestra cómo las diferentes observaciones pueden resultar de un mismo objeto:
Otra imagen más en la red para ilustrar la situación. La parte de arriba representa el modelo radio-loud y la de abajo el radio-quiet (son modelos diferentes, ya que, el jet, si existe, aparece en ambas direcciones):
Referencias
[1] An Introduction to Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Active galactic nucleus, wikipedia
jueves, julio 10, 2008
Las espirales barradas y la materia oscura
La dinámica de galaxias espirales y espirales barradas es extremadamente compleja y necesita de gran sofisticación matemática recurriendo a teoría de N-cuerpos, perturbaciones y dinámica de fluidos. No obstante existen algunos resultados y criterios que son relativamente sencillos e ilustran intuitivamente ciertas situaciones. La teoría sobre la formación de barras, y en general sobre la estabilidad de discos galácticos, fue especialmente desarrollada en los años ochenta por Toomre. Antes de ello existían ciertos resultados generales de simulaciones numéricas, como el trabajo de Ostriker y Peebles, que no obstante ha resultado mantener cierta validez después.
Consideremos el movimiento de las estrellas dentro de una galaxia. Como vimos en la entrada sobre el movimiento del sistema solar el movimiento puede descomponerse en una órbita circular más una perturbación de esta órbita. En el caso del sol, recordemos, el movimiento de rotación alrededor del centro galáctico viene dado por el LSR, Local Standard of Rest, que se mueve a unos 220 km/s alrededor del centro. El movimiento peculiar respecto del LSR es de unos 20 km/s debido a varios factores diferentes, desde el hecho que la órbita no es realmente circular, hasta la existencia de fuerzas locales que actúan sobre el sol. Todo en uno, nos permite esto dividir la energía cinética de una estrella en dos, una parte debida a la órbita circular alrededor del centro de la galaxia, y otra parte relativa a la energía cinética debido al movimiento peculiar.
Al primer componente, debido a la rotación circular, lo denominaremos T. A la energía cinética debida a la velocidad peculiar la denominaremos P. Un parámetro para cuantificar el movimiento peculiar es t = 2 P / T. A menor valor de t, mayor la parte de energía cinética en movimiento rotatorio. Para galaxias espirales, los estudios de Jeremiah Ostriker y Jim Peebles, mostraron que cuando t < 5 existe una inestabilidad que lleva a la formación de una barra central. A este criterio se lo denomina criterio de Ostriker-Peebles. El trabajo posterior de Toomre mostró que su relación física con la inestabilidad frente a barras es sólo indirecto, pero sorprendentemente la validez del criterio ha resultado ser aceptable.
Intuitivamente la aplicación de este criterio se entiende de la siguiente forma. Imaginemos un disco galáctico en el cual todas las estrellas están rotando en órbitas circulares perfectas. Las estrellas no se desplazan las unas respecto de las otras. Cualquier perturbación de densidad en tal disco hará que las estrellas circundantes empiecen a caer hacia ella haciéndola aún más densa. Tal proceso es inestable y resulta llevar a la formación de una barra. Esta es una situación ideal, pero que nos sirve como indicación que la existencia de discos va a ser algo relativamente inestable. No obstante las estrellas no se mueven en órbitas perfectamente circulares debido a su movimiento peculiar. El ajuste a un movimiento perféctamente circular nos lo da el parámetro t. A medida que la desviación del movimiento circular es mayor, con mayores velocidades peculiares (y un disco "más caliente") la facilidad de esas estrellas para caer en una perturbación de densidad es menor.
Para aplicar el criterio a nuestra galaxia debemos considerar que la velocidad peculiar media de las estrellas dominantes en el vecindario del sistema solar es de unos 60 km/s. Vemos con ello que t = 2 60² / 220² = 0.15, que es mucho menor que el valor requerido para la estabilidad (t > 5). La desviación del movimiento circular es muy pequeña. En general, el criterio de Ostriker-Peebles exige velocidades peculiares o desviaciones de la órbita circular altísimas para alcanzar una estabilidad del disco frente a la formación de una barra. No parece razonable que con este criterio puedan existir galaxias espirales sin barra. Pese a que el criterio de Ostriker-Peebles puede ser algo excesivo, el resultado cualitativo es correcto como han mostrado las observaciones. La conclusión es que la estabilidad de los discos galácticos debe ser garantizada por alguna otra cosa. Esta cosa es precisamente el halo esférico de materia oscura que envuelve a las galaxias espirales y tiene también masa en el disco. Este halo es muy caliente y cumple 2 P / T >> 1, contribuyendo con ello a la estabilidad del disco frente a la formación de una barra.
Si las galaxias no tuviesen halos de materia oscura serían muy inestables frente a la formación de barras y probablemente no observaríamos ninguna galaxia espiral sin barra debido a las altas velocidades peculiares requeridas. Este es un fenómeno interesante, independiente de las curvas de rotación, que indica (aunque no prueba) la necesidad de masa adicional en las galaxias espirales.
Esta pequeña entrada se basa completamente en lo mencionado en el capítulo 6 de "Galactic Dynamics", de Tremaine y Binney. Al interesado en la teoría, especialmente en el interesante trabajo de Toomre, lo refiero ahí. Adicionalmente, un par de páginas en la red interesantes sobre galaxias espirales barradas:
Consideremos el movimiento de las estrellas dentro de una galaxia. Como vimos en la entrada sobre el movimiento del sistema solar el movimiento puede descomponerse en una órbita circular más una perturbación de esta órbita. En el caso del sol, recordemos, el movimiento de rotación alrededor del centro galáctico viene dado por el LSR, Local Standard of Rest, que se mueve a unos 220 km/s alrededor del centro. El movimiento peculiar respecto del LSR es de unos 20 km/s debido a varios factores diferentes, desde el hecho que la órbita no es realmente circular, hasta la existencia de fuerzas locales que actúan sobre el sol. Todo en uno, nos permite esto dividir la energía cinética de una estrella en dos, una parte debida a la órbita circular alrededor del centro de la galaxia, y otra parte relativa a la energía cinética debido al movimiento peculiar.
Al primer componente, debido a la rotación circular, lo denominaremos T. A la energía cinética debida a la velocidad peculiar la denominaremos P. Un parámetro para cuantificar el movimiento peculiar es t = 2 P / T. A menor valor de t, mayor la parte de energía cinética en movimiento rotatorio. Para galaxias espirales, los estudios de Jeremiah Ostriker y Jim Peebles, mostraron que cuando t < 5 existe una inestabilidad que lleva a la formación de una barra central. A este criterio se lo denomina criterio de Ostriker-Peebles. El trabajo posterior de Toomre mostró que su relación física con la inestabilidad frente a barras es sólo indirecto, pero sorprendentemente la validez del criterio ha resultado ser aceptable.
Intuitivamente la aplicación de este criterio se entiende de la siguiente forma. Imaginemos un disco galáctico en el cual todas las estrellas están rotando en órbitas circulares perfectas. Las estrellas no se desplazan las unas respecto de las otras. Cualquier perturbación de densidad en tal disco hará que las estrellas circundantes empiecen a caer hacia ella haciéndola aún más densa. Tal proceso es inestable y resulta llevar a la formación de una barra. Esta es una situación ideal, pero que nos sirve como indicación que la existencia de discos va a ser algo relativamente inestable. No obstante las estrellas no se mueven en órbitas perfectamente circulares debido a su movimiento peculiar. El ajuste a un movimiento perféctamente circular nos lo da el parámetro t. A medida que la desviación del movimiento circular es mayor, con mayores velocidades peculiares (y un disco "más caliente") la facilidad de esas estrellas para caer en una perturbación de densidad es menor.
Para aplicar el criterio a nuestra galaxia debemos considerar que la velocidad peculiar media de las estrellas dominantes en el vecindario del sistema solar es de unos 60 km/s. Vemos con ello que t = 2 60² / 220² = 0.15, que es mucho menor que el valor requerido para la estabilidad (t > 5). La desviación del movimiento circular es muy pequeña. En general, el criterio de Ostriker-Peebles exige velocidades peculiares o desviaciones de la órbita circular altísimas para alcanzar una estabilidad del disco frente a la formación de una barra. No parece razonable que con este criterio puedan existir galaxias espirales sin barra. Pese a que el criterio de Ostriker-Peebles puede ser algo excesivo, el resultado cualitativo es correcto como han mostrado las observaciones. La conclusión es que la estabilidad de los discos galácticos debe ser garantizada por alguna otra cosa. Esta cosa es precisamente el halo esférico de materia oscura que envuelve a las galaxias espirales y tiene también masa en el disco. Este halo es muy caliente y cumple 2 P / T >> 1, contribuyendo con ello a la estabilidad del disco frente a la formación de una barra.
Si las galaxias no tuviesen halos de materia oscura serían muy inestables frente a la formación de barras y probablemente no observaríamos ninguna galaxia espiral sin barra debido a las altas velocidades peculiares requeridas. Este es un fenómeno interesante, independiente de las curvas de rotación, que indica (aunque no prueba) la necesidad de masa adicional en las galaxias espirales.
Esta pequeña entrada se basa completamente en lo mencionado en el capítulo 6 de "Galactic Dynamics", de Tremaine y Binney. Al interesado en la teoría, especialmente en el interesante trabajo de Toomre, lo refiero ahí. Adicionalmente, un par de páginas en la red interesantes sobre galaxias espirales barradas:
- Astrophysical Dynamics, capítulo 17
- Barred Galaxies
domingo, julio 06, 2008
El destino de las galaxias
Muchas veces se imagina uno que una masa central, en especial un agujero negro, es como un sumidero que tiende a engullirlo todo, una analogía probablemente fomentada por algunos artículos de prensa. Esta imagen de la gravitación es equivocada. Los agujeros negros o en general masas grandes no son como sumideros en la bañera que tienden a tragarse todo el agua en ella. Una analogía mucho mejor para dos masas que la de un sumidero es la de una cuerda atada en uno de sus extremos con una masa en su otro extremo. Si la cuerda no existiese la masa seguiría en línea recta. Al existir la cuerda la masa es obligada a describir una trayectoria circular. Las órbitas gravitatorias son estables, tanto en torno a masas grandes como en torno a agujeros negros.
Hasta aquí algo muy trivial para el que ha oído alguna vez hablar de gravitación y órbitas keplerianas. El problema que nos va a ocupar sin embargo en esta entrada es si realmente una galaxia espiral va a acabar engullida por su agujero negro supermasivo central o va a dispersarse por el espacio. Este problema no es tan trivial debido a que ahora tratamos un sistema de muchísimos cuerpos. Cuando vemos una foto de una galaxia espiral tendemos a pensar intuitivamente que eso se parece mucho al remolino que se forma en un desagüe e imaginamos que todas esas estrellas acabarán engullidas por el agujero negro supermasivo central. La imagen vuelve a ser equivocada, independiéntemente del resultado de un análisis correcto. La imagen es equivocada porque la forma de remolino que nos dan los brazos espirales no es debida a tal fenómeno sino a ondas de densidad que tienen lugar en un disco en rotación.
Bien, el caso es que tenemos a nuestra disposición una interesante página de John Baez con el sugerente título The End of the Universe, en la que se nos dice al respecto del destino de las galaxias:
La respuesta sobre el destino final de una galaxia depende algo del modelo, pero esta es una afirmación bastante bien fundada y probablemente correcta. Así que nos pararemos a entender algo mejor el trasfondo teórico de ella.
Para esto necesitamos un par de resultados básicos de la teoría de sistemas de N cuerpos. Estos son sistemas de muchas masas puntuales que interactúan entre si gravitacionalmente. En la gravitación el problema de varios cuerpos es sólo resoluble analíticamente para dos cuerpos, por lo que aquí se hace uso de otras técnicas para el análisis. En concreto, la mecánica estadística en analogía con la teoría de gases.
Tenemos por tanto un sistema de N masas. Estas masas pueden ser todas iguales de masa m, pero en el caso más general habrá un espectro de masas desde un valor menor m_mínima a otro mayor m_máxima. En primera instancia para simplificar el modelo uno suele considerar una distribución esférica y estadísticamente homogenea e isótropa. El ejemplo real más parecido a esta situación ideal es un cúmulo globular de estrellas. Las masas se mueven por el espacio e interactúan entre si. Estas interacciones son tales que una masa pasa a una distancia mínima de la otra y debido a la gravitación desvía su trayectoria, su velocidad, y con ello su energía cinética. Las colisiones directas, de frente, son muy, muy raras.
Al cabo de un tiempo las masas tenderán a encontrar una situación de equilibrio en lo referente a la energía cinética, al igual que un gas en una caja que tiende al equilibrio termodinámico. El gas lo hace muy rápido, pero las estrellas en un cúmulo globular no. Este tiempo hasta alcanzar esta situación de equilibro se denomina tiempo de relajación. Con el tiempo de relajación el sistema tiende a la equipartición de la energía y la distribución de energías es de Maxwell-Boltzmann:
(Distribución de velocidades para partículas de igual masa de un gas en equilibrio termodinámico.)
La equipartición de la energía 1/2 m v², de forma estadística, lleva al fenómeno que las masas mayores, en promedio, tienen velocidades menores y las masas menores, en promedio, tienen velocidades mayores. Si recordamos el concepto de velocidad de escape, vemos que esta aumenta a medida que uno se aleja del centro de una distribución uniforme de masa. Con ello las masas de mayores velocidades tenderán a estar localizadas en el exterior y las de velocidades menores en el interior. Este proceso se denomina segregación de masa. Ahora bien, algunas masas con velocidades altas (las masas menores) tenderán a tener tanta velocidad de escape que escaparán del sistema. El sistema se quedará sin algunos elementos y volverá otra vez al equilibro dado por la distribución de Maxwell-Boltzmann, en la cual volverá a haber algunas masas con velocidad de escape suficiente como para salir del sistema. A este proceso se lo conoce como evaporación.
La segregación hace tender a las masas mayores hacia el colapso en el centro y la evaporación hace tender a la dispersión del sistema. ¿Quién gana al final o cómo se reparten segregación y evaporación la masa del sistema? Pues bien, para los modelos usuales de cúmulos globulares se tiene que la parte interna del cúmulo conteniendo un 10% de la masa tiende a colapsar y el resto, con el 90% de la masa en la parte externa, tiende a evaporarse. Esto explica la afirmación en la página de John Baez, que vemos por tanto basada en los modelos usuales de cúmulos globulares. El tiempo de relajación de un cúmulo globular es de unos 10^8 años, pero el de una galaxia es de > 10^15 años, mayor que la edad del universo. Es por lo que las galaxias aun pueden considerarse sistemas sin colisiones, las cuales no han llevado al sistema a un equilibrio. No obstante, es de esperar que los mismos resultados cualitiativos para cúmulos globulares sean válidos en el futuro para galaxias.
Una puntualización que conviene hacer, probablemente necesaria, es que el modelo cosmológico es relativamente irrelevante aquí. Si queremos preguntarnos por la estabilidad de la galaxia frente a la expansión del espacio debemos comparar aceleraciones. Al estar una estrella normal ligada al resto de la galaxia gravitacionalmente, debemos comparar la aceleración gravitatoria de toda la galaxia sobre un punto en su periferia, frente a la aceleración de la expansión del espacio cuando es observada desde puntos de la periferia. Un cálculo en órdenes de magnitud para el modelo cosmológico estándar y para la Vía Láctea nos convencerá que hay una diferencia de casi diez órdenes de magnitud. En el modelo cosmológico estándar la aceleración de la expansión va a aumentar, pero no tanto y llegará un tiempo en el cual se mantenga ya constante y no aumente más. Esta aceleración de la expansión supone una perturbación de la órbita de la estrella. Tal perturbación, aunque muy pequeña (unos diez órdenes de magnitud) no sabemos en principio cómo va a evolucionar, pero lo pequeño de la perturbación indica que pasará desapercibida frente a fuerzas gravitatorias locales entre estrellas vecinas (por ejemplo de una estrella típica como el sol a una distancia típica de un parsec). Tales fuerzas también son varios órdenes de magnitud mayores que la expansión del espacio a nivel galáctico.
Las matemáticas elementales para estos conceptos básicos sobre cúmulos globulares se pueden encontrar aquí. Aquí un detallado artículo sobre la equipartición y la distribución de Maxwell-Boltzmann. Una página interesante sobre teoría de simulaciones de N-cuerpos aquí.
Hasta aquí algo muy trivial para el que ha oído alguna vez hablar de gravitación y órbitas keplerianas. El problema que nos va a ocupar sin embargo en esta entrada es si realmente una galaxia espiral va a acabar engullida por su agujero negro supermasivo central o va a dispersarse por el espacio. Este problema no es tan trivial debido a que ahora tratamos un sistema de muchísimos cuerpos. Cuando vemos una foto de una galaxia espiral tendemos a pensar intuitivamente que eso se parece mucho al remolino que se forma en un desagüe e imaginamos que todas esas estrellas acabarán engullidas por el agujero negro supermasivo central. La imagen vuelve a ser equivocada, independiéntemente del resultado de un análisis correcto. La imagen es equivocada porque la forma de remolino que nos dan los brazos espirales no es debida a tal fenómeno sino a ondas de densidad que tienen lugar en un disco en rotación.
Bien, el caso es que tenemos a nuestra disposición una interesante página de John Baez con el sugerente título The End of the Universe, en la que se nos dice al respecto del destino de las galaxias:
most of the stars, as well as interstellar gas and dust, will eventually be hurled into intergalactic space. This happens to a star whenever it accidentally reaches escape velocity through its random encounters with other stars. It's a slow process, but computer simulations show that about 90% of the mass of the galaxies will eventually "boil off" this way - while the rest becomes a big black hole.
La respuesta sobre el destino final de una galaxia depende algo del modelo, pero esta es una afirmación bastante bien fundada y probablemente correcta. Así que nos pararemos a entender algo mejor el trasfondo teórico de ella.
Para esto necesitamos un par de resultados básicos de la teoría de sistemas de N cuerpos. Estos son sistemas de muchas masas puntuales que interactúan entre si gravitacionalmente. En la gravitación el problema de varios cuerpos es sólo resoluble analíticamente para dos cuerpos, por lo que aquí se hace uso de otras técnicas para el análisis. En concreto, la mecánica estadística en analogía con la teoría de gases.
Tenemos por tanto un sistema de N masas. Estas masas pueden ser todas iguales de masa m, pero en el caso más general habrá un espectro de masas desde un valor menor m_mínima a otro mayor m_máxima. En primera instancia para simplificar el modelo uno suele considerar una distribución esférica y estadísticamente homogenea e isótropa. El ejemplo real más parecido a esta situación ideal es un cúmulo globular de estrellas. Las masas se mueven por el espacio e interactúan entre si. Estas interacciones son tales que una masa pasa a una distancia mínima de la otra y debido a la gravitación desvía su trayectoria, su velocidad, y con ello su energía cinética. Las colisiones directas, de frente, son muy, muy raras.
Al cabo de un tiempo las masas tenderán a encontrar una situación de equilibrio en lo referente a la energía cinética, al igual que un gas en una caja que tiende al equilibrio termodinámico. El gas lo hace muy rápido, pero las estrellas en un cúmulo globular no. Este tiempo hasta alcanzar esta situación de equilibro se denomina tiempo de relajación. Con el tiempo de relajación el sistema tiende a la equipartición de la energía y la distribución de energías es de Maxwell-Boltzmann:
(Distribución de velocidades para partículas de igual masa de un gas en equilibrio termodinámico.)
La equipartición de la energía 1/2 m v², de forma estadística, lleva al fenómeno que las masas mayores, en promedio, tienen velocidades menores y las masas menores, en promedio, tienen velocidades mayores. Si recordamos el concepto de velocidad de escape, vemos que esta aumenta a medida que uno se aleja del centro de una distribución uniforme de masa. Con ello las masas de mayores velocidades tenderán a estar localizadas en el exterior y las de velocidades menores en el interior. Este proceso se denomina segregación de masa. Ahora bien, algunas masas con velocidades altas (las masas menores) tenderán a tener tanta velocidad de escape que escaparán del sistema. El sistema se quedará sin algunos elementos y volverá otra vez al equilibro dado por la distribución de Maxwell-Boltzmann, en la cual volverá a haber algunas masas con velocidad de escape suficiente como para salir del sistema. A este proceso se lo conoce como evaporación.
La segregación hace tender a las masas mayores hacia el colapso en el centro y la evaporación hace tender a la dispersión del sistema. ¿Quién gana al final o cómo se reparten segregación y evaporación la masa del sistema? Pues bien, para los modelos usuales de cúmulos globulares se tiene que la parte interna del cúmulo conteniendo un 10% de la masa tiende a colapsar y el resto, con el 90% de la masa en la parte externa, tiende a evaporarse. Esto explica la afirmación en la página de John Baez, que vemos por tanto basada en los modelos usuales de cúmulos globulares. El tiempo de relajación de un cúmulo globular es de unos 10^8 años, pero el de una galaxia es de > 10^15 años, mayor que la edad del universo. Es por lo que las galaxias aun pueden considerarse sistemas sin colisiones, las cuales no han llevado al sistema a un equilibrio. No obstante, es de esperar que los mismos resultados cualitiativos para cúmulos globulares sean válidos en el futuro para galaxias.
Una puntualización que conviene hacer, probablemente necesaria, es que el modelo cosmológico es relativamente irrelevante aquí. Si queremos preguntarnos por la estabilidad de la galaxia frente a la expansión del espacio debemos comparar aceleraciones. Al estar una estrella normal ligada al resto de la galaxia gravitacionalmente, debemos comparar la aceleración gravitatoria de toda la galaxia sobre un punto en su periferia, frente a la aceleración de la expansión del espacio cuando es observada desde puntos de la periferia. Un cálculo en órdenes de magnitud para el modelo cosmológico estándar y para la Vía Láctea nos convencerá que hay una diferencia de casi diez órdenes de magnitud. En el modelo cosmológico estándar la aceleración de la expansión va a aumentar, pero no tanto y llegará un tiempo en el cual se mantenga ya constante y no aumente más. Esta aceleración de la expansión supone una perturbación de la órbita de la estrella. Tal perturbación, aunque muy pequeña (unos diez órdenes de magnitud) no sabemos en principio cómo va a evolucionar, pero lo pequeño de la perturbación indica que pasará desapercibida frente a fuerzas gravitatorias locales entre estrellas vecinas (por ejemplo de una estrella típica como el sol a una distancia típica de un parsec). Tales fuerzas también son varios órdenes de magnitud mayores que la expansión del espacio a nivel galáctico.
Las matemáticas elementales para estos conceptos básicos sobre cúmulos globulares se pueden encontrar aquí. Aquí un detallado artículo sobre la equipartición y la distribución de Maxwell-Boltzmann. Una página interesante sobre teoría de simulaciones de N-cuerpos aquí.
martes, julio 01, 2008
El movimiento de la galaxia
En la entrada anterior hemos analizado el movimiento del sistema solar en la galaxia. En esta entrada vamos a analizar el movimiento de la galaxia en el universo. Para analizar el movimiento del sistema solar en la galaxia fuimos desde lo más grande a lo más pequeño: primero el movimiento del LSR en la galaxia y luego el movimiento del sol dentro del LSR. Ahora vamos a proceder alrevés. Nos vamos a encontrar básicamente con tres velocidades que se superponen: (i) la velocidad de la galaxia dentro del Grupo Local de galaxias (ii) el movimiento del Grupo Local de galaxias dentro del supercúmulo de Virgo y, por último, (iii) el movimiento del supercúmulo de Virgo respecto del centro del baricentro (centro de masas) del universo observable. Entender estos movimientos, su magnitud, dirección en el cielo nocturno, su dinámica y las estructuras de materia que dan lugar a él, será la meta de esta entrada.
La distribución de materia a gran escala
Estos tres movimientos son órbitas debido a la gravitación de estructuras cada vez mayores. No obstante, a escalas mucho mayores (más de 300 Megaparsec) es de esperar que el movimiento deje de existir. Esto es debido al principio cosmológico, que dice que no podemos encontrar una dirección preferida en el movimiento de materia y esta ha de encontrarse por tanto en reposo. El centro de masas del universo observable está en reposo respecto de un sistema de referencia en el cual el fondo cósmico de microondas es observado como homogeneo e isótropo y en el cual la expansión del espacio es también observada isótropa y cumpliendo la ley de Hubble. A este respecto conviene no obstante notar que en los últimos años ha habido algo de controversia sobre el tema con un famoso estudio de Lauer & Postman de 1994 que afirmaron haber encontrado un movimiento a muy grandes escalas (large scale bulk flow) no nulo, pero este tema parece haberse ido aclarando con los últimos grandes censos de galaxias dando razón al principio cosmológico.
Conviene también notar antes de seguir que el tipo de movimiento que tratamos aquí es un movimiento peculiar, debido a fuerzas locales. No es un movimiento de recesión debido a la expansión del espacio. La expansión del espacio (o flujo de Hubble) empieza a ser observacionalmente notable ya a distancias cosmológicamente pequeñas de incluso un Mpc (Megaparsec) o menor, pero en muchos casos es indetectable debido a que las galaxias tienen movimientos peculiares muy fuertes que la desfiguran, anulan o superan. Dada esta eventualidad, de lo que tratamos aquí es por tanto de un residuo de velocidad, una vez substraido el flujo de Hubble, denominado velocidad peculiar. Medir la desviación del flujo de Hubble de las galaxias cercanas no es tarea sencilla, ya que para ello hay que seleccionar un método alternativo a la ley de Hubble para determinar las distancias de galaxias. A distancias grandes los métodos alternativos tienen errores no despreciables. Esto se puede aliviar recurriendo a medir grandes cantidades de galaxias en volúmenes mayores, pero entonces aparece el peligro de tener muestras sesgadas por galaxias indetectadas debido a su baja luminosidad (a esto se lo conoce como Malmquim bias).
El caso es que, al igual que es de esperar que el movimiento deje de existir a escalas muy grandes, la distribución de materia sólo es de suponer homogenea e isótropa a escalas considerablemente mayores que 100 Mpc. En definitiva, la validez del principio cosmológico se nos presenta a partir de esas escalas colosales. Por debajo de ella, las galaxias se encuentran casi en su totalidad agrupadas en grupos y/o cúmulos. Los cúmulos y grupos a su vez en supercúmulos. Los supercúmulos son agrupaciones de miles de galaxias, con forma aplanada o alargada usualmente. Entre ellos hay filamentos que los unen y vacíos que los separan. Todo en uno, el universo presenta una pauta de filamentos y supercúmulos - los cuales se agrupan a su vez en paredes - y de grandes vacíos, que todo en uno le dan un aspecto de esponja. Las agrupaciones de filamentos y las paredes están sólo parcialmente ligadas gravitacionalmente y este tipo de pauta es resultado transitorio del colapso gravitacional. En general, la dinámica de gravitacional que da lugar a los filamentos y la pauta de esponja se puede obtener de simulaciones, pero no está del todo bien entendida aún.
Una de las estructuras con forma de pared es en la que nosotros nos encontramos y se denomina plano supergaláctico. Contiene al supercúmulo local (o supercúmulo de Virgo), el supercúmulo de coma, el supercúmulo de Perseo-Piscis y el supercúmulo de Shapley. Esta pared separa dos enormes vacíos conocidos como supervacío local norte y supervacío local sur. Existe un tipo de coordenadas denominadas coordenadas supergalácticas de de-Vaucoleurs, en las cuales el plano supergaláctico se encuentra en z = 0 (SGZ = 0) cortando los dos vacíos.
En este enlace hay un diagrama de la localización en el cielo los cúmulos conocidos a desplazamientos al rojo muy bajos.
El movimiento de la galaxia
El Grupo Local de galaxias es un grupo de galaxias formado por la Vía Láctea, la galaxia Andrómeda (M31), M33 (galaxia del Triángulo) y unas treinta galaxias restantes menores como por ejemplo las nubes de Magallanes. Su masa viene determinada en un 90% por la masa de la Vía Láctea y Andrómeda y el momento angular del grupo es prácticamente nulo. Esto significa que su baricentro está entre ambas y que ambas están en una órbita de ecentricidad muy cercana a uno, es decir, en rumbo de colisión. La velocidad de la Vía Láctea respecto del baricentro del Grupo Local es de unos 60 km/s. Su dirección, la de la galaxia Andrómeda, la cual podemos encontrar con prismáticos en la constelación de Andrómeda en el cielo de otoño.
El Grupo Local de galaxias, a su vez, se mueve aproximadamente hacia el baricentro del supercúmulo de Virgo a una velocidad del órden de unos 200 km/s, localizado en el cúmulo de Virgo en la constelación de Virgo en el cielo nocturno de primavera. A este movimiento se lo denomina virgocentric flow (flujo virgocéntrico). Por su parte, el supercúmulo de Virgo, así como el supercúmulo de Hydra-Centauro se mueven todos como en un colosal rio hacia el Gran Atractor, una concentración enorme de materia quizás de unas 10^16 masas solares (más de diez veces la masa del supercúmulo de Virgo) a unos 600 km/s. La dirección correspondiente del cielo resulta ser la constelación de Centauro.
Fue con los estudios de Lyndel-Bell et al a finales de los ochenta, como por ejemplo este, con los que tal movimiento peculiar fue identificado postulando su orígen en lo que se denominó Gran Atractor:
El Gran Atractor se ha postulado también con una velocidad peculiar, acercándose a su vez algo hacia el rio de cúmulos que se acercan a él, pero no parece haber conclusiones claras al respecto. En defintiva, o se acerca un poco o está en reposo respecto del centro de masas del universo observable y del sistema de referencia en el cual el fondo cósmico de microondas es observado como homogeneo e isótropo y en el cual la expansión del espacio es también observada isótropa y cumpliendo la ley de Hubble. La mínima desviación de la isotropía del fondo que produce nuestro movimiento peculiar (el sistema solar en la galaxia y la galaxia respecto del fondo) se conoce como dipolo. Esto es un patrón debido al efecto Doppler, dando lugar a unos fotones desplazados al azul en una dirección del cielo, en la dirección de la constelación de Centauro que es la componente dominante de la velocidad, y otros fotones desplazados al rojo en la dirección opuesta.
La localización exácta del Gran Atractor, su masa y distancia, siguen siendo objeto de controversia. Se ha postulado también que el flujo de supercúmulos se extiende mucho más allá del supercúmulo de Hydra-Centauro, pero no hay conclusiones claras al respecto (ver [1] capítulo 27). La idea más aceptada parece ser que el Gran Atractor es probablemente un (o una colección de) supercúmulo(s) formada principalmente por el cúmulo de Norma como el cúmulo central a ellos.
Referencias adicionales
[1] An Introduction To Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Principles of Physical Cosmology, J.P.E Peebles
La distribución de materia a gran escala
Estos tres movimientos son órbitas debido a la gravitación de estructuras cada vez mayores. No obstante, a escalas mucho mayores (más de 300 Megaparsec) es de esperar que el movimiento deje de existir. Esto es debido al principio cosmológico, que dice que no podemos encontrar una dirección preferida en el movimiento de materia y esta ha de encontrarse por tanto en reposo. El centro de masas del universo observable está en reposo respecto de un sistema de referencia en el cual el fondo cósmico de microondas es observado como homogeneo e isótropo y en el cual la expansión del espacio es también observada isótropa y cumpliendo la ley de Hubble. A este respecto conviene no obstante notar que en los últimos años ha habido algo de controversia sobre el tema con un famoso estudio de Lauer & Postman de 1994 que afirmaron haber encontrado un movimiento a muy grandes escalas (large scale bulk flow) no nulo, pero este tema parece haberse ido aclarando con los últimos grandes censos de galaxias dando razón al principio cosmológico.
Conviene también notar antes de seguir que el tipo de movimiento que tratamos aquí es un movimiento peculiar, debido a fuerzas locales. No es un movimiento de recesión debido a la expansión del espacio. La expansión del espacio (o flujo de Hubble) empieza a ser observacionalmente notable ya a distancias cosmológicamente pequeñas de incluso un Mpc (Megaparsec) o menor, pero en muchos casos es indetectable debido a que las galaxias tienen movimientos peculiares muy fuertes que la desfiguran, anulan o superan. Dada esta eventualidad, de lo que tratamos aquí es por tanto de un residuo de velocidad, una vez substraido el flujo de Hubble, denominado velocidad peculiar. Medir la desviación del flujo de Hubble de las galaxias cercanas no es tarea sencilla, ya que para ello hay que seleccionar un método alternativo a la ley de Hubble para determinar las distancias de galaxias. A distancias grandes los métodos alternativos tienen errores no despreciables. Esto se puede aliviar recurriendo a medir grandes cantidades de galaxias en volúmenes mayores, pero entonces aparece el peligro de tener muestras sesgadas por galaxias indetectadas debido a su baja luminosidad (a esto se lo conoce como Malmquim bias).
El caso es que, al igual que es de esperar que el movimiento deje de existir a escalas muy grandes, la distribución de materia sólo es de suponer homogenea e isótropa a escalas considerablemente mayores que 100 Mpc. En definitiva, la validez del principio cosmológico se nos presenta a partir de esas escalas colosales. Por debajo de ella, las galaxias se encuentran casi en su totalidad agrupadas en grupos y/o cúmulos. Los cúmulos y grupos a su vez en supercúmulos. Los supercúmulos son agrupaciones de miles de galaxias, con forma aplanada o alargada usualmente. Entre ellos hay filamentos que los unen y vacíos que los separan. Todo en uno, el universo presenta una pauta de filamentos y supercúmulos - los cuales se agrupan a su vez en paredes - y de grandes vacíos, que todo en uno le dan un aspecto de esponja. Las agrupaciones de filamentos y las paredes están sólo parcialmente ligadas gravitacionalmente y este tipo de pauta es resultado transitorio del colapso gravitacional. En general, la dinámica de gravitacional que da lugar a los filamentos y la pauta de esponja se puede obtener de simulaciones, pero no está del todo bien entendida aún.
Una de las estructuras con forma de pared es en la que nosotros nos encontramos y se denomina plano supergaláctico. Contiene al supercúmulo local (o supercúmulo de Virgo), el supercúmulo de coma, el supercúmulo de Perseo-Piscis y el supercúmulo de Shapley. Esta pared separa dos enormes vacíos conocidos como supervacío local norte y supervacío local sur. Existe un tipo de coordenadas denominadas coordenadas supergalácticas de de-Vaucoleurs, en las cuales el plano supergaláctico se encuentra en z = 0 (SGZ = 0) cortando los dos vacíos.
En este enlace hay un diagrama de la localización en el cielo los cúmulos conocidos a desplazamientos al rojo muy bajos.
It may be - I hope it is - redemption to guess and perhaps perceive that the universe, the hell which we see for all its beauty, vastness, majesty, is only part of a whole which is quite unimaginable. William Golding
El movimiento de la galaxia
El Grupo Local de galaxias es un grupo de galaxias formado por la Vía Láctea, la galaxia Andrómeda (M31), M33 (galaxia del Triángulo) y unas treinta galaxias restantes menores como por ejemplo las nubes de Magallanes. Su masa viene determinada en un 90% por la masa de la Vía Láctea y Andrómeda y el momento angular del grupo es prácticamente nulo. Esto significa que su baricentro está entre ambas y que ambas están en una órbita de ecentricidad muy cercana a uno, es decir, en rumbo de colisión. La velocidad de la Vía Láctea respecto del baricentro del Grupo Local es de unos 60 km/s. Su dirección, la de la galaxia Andrómeda, la cual podemos encontrar con prismáticos en la constelación de Andrómeda en el cielo de otoño.
El Grupo Local de galaxias, a su vez, se mueve aproximadamente hacia el baricentro del supercúmulo de Virgo a una velocidad del órden de unos 200 km/s, localizado en el cúmulo de Virgo en la constelación de Virgo en el cielo nocturno de primavera. A este movimiento se lo denomina virgocentric flow (flujo virgocéntrico). Por su parte, el supercúmulo de Virgo, así como el supercúmulo de Hydra-Centauro se mueven todos como en un colosal rio hacia el Gran Atractor, una concentración enorme de materia quizás de unas 10^16 masas solares (más de diez veces la masa del supercúmulo de Virgo) a unos 600 km/s. La dirección correspondiente del cielo resulta ser la constelación de Centauro.
Fue con los estudios de Lyndel-Bell et al a finales de los ochenta, como por ejemplo este, con los que tal movimiento peculiar fue identificado postulando su orígen en lo que se denominó Gran Atractor:
The excess must be ~ 5.4 10^16 Msol, comparable to the largest superclusters in order to generate the streaming motion at the Sun
El Gran Atractor se ha postulado también con una velocidad peculiar, acercándose a su vez algo hacia el rio de cúmulos que se acercan a él, pero no parece haber conclusiones claras al respecto. En defintiva, o se acerca un poco o está en reposo respecto del centro de masas del universo observable y del sistema de referencia en el cual el fondo cósmico de microondas es observado como homogeneo e isótropo y en el cual la expansión del espacio es también observada isótropa y cumpliendo la ley de Hubble. La mínima desviación de la isotropía del fondo que produce nuestro movimiento peculiar (el sistema solar en la galaxia y la galaxia respecto del fondo) se conoce como dipolo. Esto es un patrón debido al efecto Doppler, dando lugar a unos fotones desplazados al azul en una dirección del cielo, en la dirección de la constelación de Centauro que es la componente dominante de la velocidad, y otros fotones desplazados al rojo en la dirección opuesta.
La localización exácta del Gran Atractor, su masa y distancia, siguen siendo objeto de controversia. Se ha postulado también que el flujo de supercúmulos se extiende mucho más allá del supercúmulo de Hydra-Centauro, pero no hay conclusiones claras al respecto (ver [1] capítulo 27). La idea más aceptada parece ser que el Gran Atractor es probablemente un (o una colección de) supercúmulo(s) formada principalmente por el cúmulo de Norma como el cúmulo central a ellos.
Referencias adicionales
[1] An Introduction To Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Principles of Physical Cosmology, J.P.E Peebles
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