21/12/2022
El antiguo corazón de la Vía Láctea
20/12/2022
Fuente Max Planck Society
El análisis químico de dos millones de gigantes rojas identifica estrellas de la historia temprana de nuestra galaxia
Las estrellas de la historia más antigua de nuestra galaxia natal han sobrevivido en el pobre y viejo corazón de nuestra Vía Láctea. Un equipo del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg ha identificado ahora estrellas en el corazón galáctico que, debido a su formación temprana, todavía son relativamente pobres en elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Los investigadores utilizaron inteligencia artificial para analizar datos de la misión Gaia de la ESA y así determinaron las propiedades químicas de dos millones de estrellas gigantes brillantes alrededor del centro de nuestra galaxia. El resultado encaja bien con las predicciones de las simulaciones cosmológicas de la historia más antigua de nuestra galaxia natal.
La historia de la Vía Láctea se extiende a lo largo de unos 13 000 millones de años, por lo que nuestra galaxia natal es casi tan antigua como el universo. En las últimas décadas, los astrónomos han logrado reconstruir varias épocas de la historia galáctica. El procedimiento es similar a la forma en que la arqueología investiga la historia de una ciudad: hay fechas de construcción claras para algunos edificios. Para otros, el uso de materiales de construcción más primitivos o estilos de construcción más antiguos indican que fueron creados antes. El hecho de que restos de edificios se encuentren debajo de otros edificios más recientes también da pistas importantes. Por último, pero no menos importante, los patrones espaciales son importantes: en muchas ciudades hay un casco antiguo central rodeado de partes mucho más nuevas de la ciudad.
La arqueología cósmica de las galaxias, y de nuestra galaxia natal en particular, es muy similar. Porque para casi todas las estrellas, una especie de estilo arquitectónico permite sacar conclusiones al menos aproximadas sobre la edad: la llamada metalicidad de una estrella, definida como la cantidad de elementos químicos más pesados que el helio en la atmósfera de la estrella. Dichos elementos, llamados metales en astronomía, se forman dentro de las estrellas por fusión nuclear y se liberan poco antes o al final de la vida de una estrella. Para los elementos más ligeros, este es el caso cuando las regiones exteriores de una estrella de baja masa se desplazan hacia el espacio, para los elementos más pesados solo cuando una estrella masiva explota como una supernova y expulsa una parte considerable de su material al espacio.
Cómo crecen gradualmente las galaxias grandes
Así como las ciudades pueden pasar por auges de la construcción o intensos períodos de remodelación, la historia de las galaxias está determinada por fusiones y colisiones, así como por grandes cantidades de gas de hidrógeno fresco que puede verterse en una galaxia desde el exterior por miles de millones: la materia prima de que se forman nuevas estrellas. Al principio de la historia de una galaxia hay protogalaxias más pequeñas: regiones del espacio con una densidad de masa superior a la media, en las que las nubes de gas se colapsan y forman estrellas comparativamente poco después del Big Bang.
Cuando tales protogalaxias chocan y se fusionan, se forma una galaxia más grande. Si luego agrega otra protogalaxia a estas estructuras algo más grandes, puede suceder lo siguiente: si esa protogalaxia adicional no vuela exactamente hacia el centro de su compañera de colisión, pero se desplaza lo suficiente hacia un lado, entonces la colisión puede dar la vuelta a la galaxia original emerge un disco con estrellas. Por otro lado, si dos galaxias que ya son lo suficientemente grandes se fusionan, sus depósitos de gas se calientan y finalmente forman una galaxia elíptica complicada. Tales historias de galaxias se pueden reconstruir con una combinación de observaciones y simulaciones, naturalmente mejor en nuestra galaxia de origen.
¿Qué vino antes de la adolescencia de nuestra Vía Láctea?
La reconstrucción arqueológica actual de la historia de la Vía Láctea sigue una investigación de la primavera de 2022. En ese momento, Maosheng Xiang y Hans-Walter Rix, investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía, utilizaron datos del satélite Gaia de la ESA y el sondeo espectral LAMOST para reconstruir la turbulenta juventud de la Vía Láctea hace 11 000 millones de años, así como su posterior período de la edad adulta sin incidentes.
Sin embargo, Xiang y Rix notaron que las estrellas más antiguas de esa edad temprana ya tenían una metalicidad no demasiado pequeña, es decir, alrededor del diez por ciento de la metalicidad actual de nuestro sol. Aparentemente, antes de que se formaran esas estrellas, debe haber habido generaciones anteriores de estrellas que ya estaban liberando elementos pesados cuando murieron. La existencia de generaciones anteriores de estrellas no fue una sorpresa, porque esas generaciones anteriores de estrellas también se muestran en simulaciones elaboradas de la historia cósmica. Esas simulaciones también predicen dónde deberían encontrarse hoy en día los representantes de esas generaciones anteriores de estrellas.
Específicamente, para los primeros días de lo que luego se convirtió en nuestra Vía Láctea, estas simulaciones proporcionan escenarios con tres o cuatro protogalaxias que se formaron muy cerca unas de otras, luego se fusionaron y cuyas estrellas se unieron en una entidad comparativamente compacta con un diámetro de no más de unos pocos miles de años luz juntos. El hecho de que más galaxias se fusionaran más tarde con la Vía Láctea original condujo a la formación de otras estructuras, en particular la estructura del disco y el halo. Pero las simulaciones sugieren que parte del núcleo original sobrevivió relativamente ileso. Por lo tanto, debería ser posible extraer estrellas del núcleo compacto inicial, el antiguo corazón de la Vía Láctea,
La búsqueda del núcleo antiguo
Los investigadores ahora usaron la metalicidad como indicador de edad, lo que hace posible clasificar las estrellas en más viejas y más jóvenes. Los espectros registrados como parte de la misión Gaia brindan información sobre la metalicidad de muchos millones de estrellas. El telescopio espacial Gaia proporcionó datos completos de varios miles de millones de estrellas, incluidos datos de distancia y movimiento, pero la resolución de los espectros medidos por Gaia no es suficiente para determinar de forma fiable la composición química de las atmósferas estelares utilizando métodos convencionales. Pero con la ayuda de la inteligencia artificial, Hans-Walter Rix y René Andrae, un investigador del Instituto Max Planck de Astronomía que se especializa en datos de Gaia, hicieron esto antes, junto con el estudiante invitado Vedant Chandra, quien vino al Instituto Max Planck en Heidelberg de la Universidad de Harvard. Los tres investigadores entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático utilizando metalicidades conocidas de estrellas de tal manera que pueda leer con precisión la composición química de los espectros.
Se especializaron en estrellas gigantes rojas en los datos de Gaia: las gigantes rojas típicas son tan brillantes que también se pueden observar fácilmente a cierta distancia del centro galáctico y sus alrededores. Además, las características espectrales que pueden usarse para determinar la metalicidad son comparativamente prominentes en estrellas de este tipo. El algoritmo utilizó el conjunto de datos de Daia para determinar los valores exactos de las metalicidades de dos millones de gigantes brillantes en las regiones internas de nuestra galaxia natal, el conjunto de datos más grande de este tipo hasta la fecha.
Luego, también usaron estos datos para identificar el antiguo corazón de la Vía Láctea, una población de estrellas que Rix llama el pobre corazón viejo de nuestra galaxia natal debido a su baja metalicidad, vejez y ubicación central. En un mapa del cielo, estas estrellas se concentran alrededor del centro galáctico. Además, las distancias proporcionadas por Gaia permiten una reconstrucción en 3D que muestra que estas estrellas se encuentran predominantemente en una región interior relativamente pequeña, a distancias de hasta unos 15.000 años luz del centro.
El corazón de la galaxia tiene más de 12.500 millones de años
Esta población estelar es una continuación directa del estudio anterior de Xiang y Rix sobre la juventud de la Vía Láctea: las estrellas en el viejo y pobre Corazón tienen la metalicidad justa para ser los ancestros buscados de las estrellas más pobres en metales que luego formaron la Vía Láctea. disco grueso. A partir de esto, a su vez, se deduce una estimación de la edad, porque Xiang y Rix ya han datado de forma fiable la formación del disco grueso con el estudio anterior: el pobre y viejo corazón de la Vía Láctea debe tener una antigüedad de unos 12.500 millones de años.
Un análisis más detallado sugiere que las estrellas de Poor Old Heart se formaron justo después de la fusión de las primeras protogalaxias para formar el núcleo primordial de la Vía Láctea, y no estaban ya presentes en las galaxias enanas que formaron el núcleo primordial de la Vía Láctea o los que luego se fusionaron con la Vía Láctea. Esto confirma lo que dicen las simulaciones cosmológicas sobre la historia temprana de nuestra galaxia natal. Ahora los investigadores esperan poder determinar la composición química de muchas más estrellas y usar su arqueología cósmica para descubrir aún más sobre la historia de nuestra galaxia.
Imagen Mapa de las estrellas gigantes particularmente pobres en metales identificadas utilizando datos del telescopio espacial Gaia. En el centro (marcado con el círculo) están las estrellas del "pobre viejo corazón" de la Vía Láctea. El mapa muestra todo el cielo nocturno de la misma manera que ciertos mapas mundiales muestran la superficie de la tierra. La dirección al centro de nuestra galaxia natal corresponde al centro del mapa.
© Imagen: H.-W. Rix/MPIA
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