Entendre el procés de formació de les galàxies ha estat un dels punts de recerca més importants de l'astronomia des dels inicis. Han estat molts els investigadors que han dedicat tota la carrera a aquest punt específic.
Com us heu d'estar imaginant, s'han teoritzat una quantitat d'escenaris sobre la formació de galàxies i estrelles, però només recentment els científics han començat a posar-se d'acord sobre alguns fets comprovables.
Els avenços dels últims anys, aconseguits pels teòrics del Big Bang, han aconseguit donar noves llums sobre com, quan i per què es va originar la formació les primeres galàxies del nostre univers.
En definitiva, conèixer l'origen de la nostra galàxia (la que podem observar més fàcilment), és un punt indispensable per començar a comprendre la dinàmica universal, que tantes opinions trobades ha generat al llarg de la nostra història.
Si aquest tema et sembla interessant, segurament gaudiràs del nostre article sobre el origen de l'univers i la teoria del Big Bang.
Quan va ser la formació de les primeres galàxies?
Primer que tot, és important entendre que malgrat la seva mida descomunal, quan les comparem a escala amb la talla coneguda de l'univers, les galàxies són un punt diminut.
Això vol dir que l'univers conté centenars de milers de galàxies, alhora que cada galàxia conté centenars de milions d'estrelles, amb els seus sistemes respectius (com el nostre).
Només fins fa uns anys s'ha començat a armar una teoria -comunment acceptada- sobre el procés de formació de les primeres galàxies, i això ha passat gràcies als avenços en la teoria del Big Bang, ja que s'ha pogut determinar en què era de l'evolució de l'univers van començar a néixer les primeres galàxies.
S'estima que l'origen de les galàxies va ser més aviat del que es creia inicialment, i va començar a l'última fase coneguda del Big Bang, només uns 600.000 anys després de la primera singularitat espai-temporal.
En aquest punt del temps, l'univers encara era molt homogeni, amb una distribució de la matèria semblant a cada punt de l'espai.
No obstant això, els núvols còsmics (matèria) van començar a atraure's entre si a causa de l'expansió dels camps gravitatoris, formant cúmuls de matèria concentrada a l'espai.
D'aquesta manera, l'univers es va convertir en un espai heterogeni, amb una distribució desigual de la densitat de la matèria.
La Galàxia observable més antiga!
Tot i que s'ha determinat que la majoria de les galàxies es van formar durant un parèntesi de temps relativament curt (uns 800 milions d'anys), se n'han observat algunes de més antigues i d'altres de més joves.
Les observacions del Hubble i altres supertelescopis han permès identificar la més galàxia més antiga fins ara.
El 2009 va ser identificada i batejada com UDFy-38135539, la galàxia més antiga mai observada per telescopis terrestres.
El rastre de fotons observable d'aquest cúmul que -es creu- allotja més de 1.000 milions d'estrelles, té 13.100 milions d'anys. Això significa que es va formar només 500 milions d'anys després del Big Bang, just després que es creessin les primeres partícules atòmiques.
Com es formen les galàxies?
La formació de les galàxies ha estat un misteri durant segles per a la humanitat –i durant dècades per als científics moderns–. De fet, encara hi ha un cert desacord sobre la forma exacta en què va començar el naixement de les primeres galàxies.
La veritat és que s'ha arribat a un consens en determinar que les galàxies van ser creades a partir dels cúmuls de gasos de núvols còsmics, tan bon punt l'univers va començar a refredar-se després del Big Bang.
Tot i això, malgrat que la majoria de les galàxies conegudes es van formar -més o menys- al mateix temps, no són estàtiques.
Tots els cossos còsmics evolucionen amb el pas del temps; muten i es mouen, i aquesta dinàmica s'ha convertit en un camp de debat interessant per a la astronomia.
A més, aquestes teories explicarien també quines condicions i quina part del procés de formació defineix els tipus de galàxia que es formen a cada singularitat.
En resum, hi ha principalment dues teories acceptades que podrien explicar la formació de galàxies i estrelles.
Model #1 – Els cúmuls galàctics
La teoria més àmpliament acceptada per la comunitat científica.
Suposa que la formació de galàxies i els cossos que contenen, van ser el resultat directe del col·lapse dels cúmuls de massa còsmica, atretes entre si com a conseqüència de les fluctuacions primordials de densitat en massa a l'univers.
Aquests canvis en la distribució de la densitat van provocar que la matèria existent en aquesta etapa: acumulacions de gasos còsmics, fossin atretes entre si fins a formar Supercúmuls de massa a regions particulars de l'univers.
Les diferents concentracions de matèria dins de cada àrea de cúmul, va donar pas a la formació de cossos més complexos (i més compactes) que s'organitzen jeràrquicament a: cúmuls galàctics, galàxies, cúmuls estel·lars i estrelles.
Aquest model explicaria a la perfecció el perquè de la distribució de les galàxies en cúmuls concentrats i no simplement repartides a tot l'espai de l'univers conegut de forma “regular”.
Model #2 – Les protogalàxies
Les protogalàxies o “galàxies primitives”, com també se'ls coneix, corresponen a les primeres formacions de matèria còsmica després del període del refredament del Big Bang.
Algunes teories sobre l'origen de les galàxies suposen que els cúmuls de galàxies observables actualment es van crear com a conseqüència del col·lapse de protogalàxies massives uns 500 milions d'anys després del Big Bang.
No obstant això, aquesta teoria ha patit alguns reversos recentment, ja que observacions modernes han identificat galàxies realment antigues (formades només 500 milions d'anys després del Big Bang), cosa que deixaria un marge de temps molt curt perquè fos possible la formació i col·lapse de les protogalàxies.
Quins tipus de galàxies hi ha?
El motiu que defineix quin tipus de galàxia es forma segueix sent un misteri i segurament romandrà així fins que aconseguim desxifrar per complet el origen de les galàxies
La veritat és que les investigacions i observacions aconseguides des de la segona meitat del segle XX, gràcies a poderosos supertelescopis ens han permès identificar els diferents tipus de galàxies que existeixen (o almenys que nosaltres coneixem fins ara).
Galàxies Espirals
Les galàxies espirals, com la nostra (la via làctia) són les més comunes, i també les més conegudes. De fet, la seva forma correspon a la gràfica que una galàxia que podem veure comunament a tot arreu.
Es creu que la formació dels tipus de galàxies espirals va correspondre al col·lapse de les formacions gasoses de forma abrupta i no gradual.
A la primera etapa del seu naixement s'aglomera un cúmul de matèria super dens, que correspon al nucli de la galàxia, generalment format per una concentració d'estrelles velles, al voltant del camp gravitacional del qual gira la resta de la massa galàctica.
Posteriorment es formarien els discos, que estan constituïts per estrelles menys denses, planetes, asteroides i cossos de núvols còsmics.
També es creu que part de la matèria que compon l'halo galàctic està format per les restes de “galàxies nanes” que orbiten a una galàxia superior i col·lapsen, fusionant-se en el cos de la més gran.
Aquesta teoria sorgeix arran del descobriment d'una petita galàxia que orbita al voltant de la nostra via làctia i que podria ser lentament “devorada” per la nostra, fins a incorporar completament.
Les galàxies espirals es caracteritzen per:
- Posseeixen un disc de formació amb extensió plana
- Els seus “braços” estan formats principalment per pols interestel·lar i estrelles joves
- El nucli o bulb està format per grans grups d'estrelles antigues de baixa metal·licitat.
- Es pensa que la majoria de les galàxies espirals contenen un forat negre al centre del bulb.
Les galàxies el·líptiques
Les observacions recents del Hubble, suggereixen que la majoria de les galàxies el·líptiques s'han format a partir de la col·lisió i fusió massiva de múltiples galàxies, variant enormement en grandària, constitució i brillosidade entre si.
Tot i això, s'ha observat que les galàxies el·líptiques gegants (les més grans a l'univers observable fins ara), estan compostes majoritàriament per estrelles antigues amb baixa concentració de metal·licitat.
En algunes d'aquestes galàxies, però, s'han pogut observar estrelles més joves i petites, però això podria ser producte de la col·lisió amb altres galàxies.
Una altra característica física molt comuna d'aquest tipus de galàxia és la baixa acumulació de gasos còsmics, probablement esgotats per la formació de nous estels i planetes.
Hi ha dos tipus de galàxies el·líptiques segons la distribució de la seva massa a l'espai:
Les galàxies el·líptiques quadrades, que generalment corresponen a les galàxies massives.
Aquestes mostren un moviment erràtic entre els grups d'estrelles, sense cap patró definit entre si.
Les galàxies quadrades tampoc no semblen mostrar més concentració de llum al seu nucli, com passa amb altres tipus de galàxia, com les espirals.
El segon grup correspon a les galàxies el·líptiques discoïdals, que mostren tenir una disposició més organitzada i es mouen a velocitats molt més grans a través de l'espai.
Aquestes galàxies estan compostes per estrelles més joves i petites. A més, mostren nivells de lluminositat molt superior al nucli, però no gaire.
De què estan formades les estrelles?
La formació d'estrelles no es refereix només a l'origen de les estrelles. Investigadors de l'astronomia i l'astrofísica també han discutit àmpliament sobre la composició de les estrelles.
És a dir, De què estan compostes les estrelles?
Les estrelles estan formades principalment per gasos com hidrogen y heli, i en menor mesura per altres elements com oxigen, nitrogen, liti, ferro i carboni.
Les estrelles estan formades per diversos components químics, la varietat i concentració dels quals varia fortament d'una estrella a una altra, és per això que hi ha diferents tipus d'estrelles: Supergegants, gegants, subgegants, nanes, nanes blanques, etc.
La distribució de la composició de les estrelles varia d'acord amb la seva edat, cosa que fa variar la seva mida, color, lluminositat i classificació a la nostra escala.
La primera tesi sobre la composició dels cossos celestes de l'espai va ser proposada a principis del segle XX per Cecília Payne-Gaposchkin.
La composició de les estrelles segons Cecilia Payne-Gaposchkin
Resulta impressionant pensar en l'exactitud de les conclusions proposades a la tesi doctoral de Cecilia Payne, si considerem les eines de recerca disponibles l'any 1925.
Com a dada curiosa, Cecília va ser la primera persona (home o dona) a obtenir el títol de doctorat en Astrofísica a la Universitat de Harvard.
A la seva tesi suggeria que les estrelles estan conformades majoritàriament d'hidrogen, un descobriment que en el moment va ser revolucionari per a la comunitat d'astrònoms a nivell mundial.
El seu estudi va funcionar com a pedra angular perquè posteriors investigadors complementessin la tesi, descobrint nous elements en la composició estel·lar.
Què passa quan a una estrella se li esgota l'hidrogen?
Les estrelles, com tot a l'univers, no són eternes encara que ho semblin.
Es creu que l'edat mitjana d'una estrella com el nostre sol ronda els 10.000 milions d'anys. Actualment el nostre sol ha consumit, més o menys, la meitat de la seva vida útil, per això alguns teòrics estimen que li queden entre 5.000 i 7.000 milions d'anys abans de col·lapsar.
Ja que la seva energia i lluminositat sorgeixen de les fusions nuclears entre els nuclis d'hidrogen per formar partícules d'heli, la seva vida útil és limitada i depèn de la càrrega d'hidrogen a la seva composició, és a dir, del seu combustible.
Quan la concentració d'hidrogen baixa massa en una estrella, les fusions a la superfície deixen de succeir, evitant que s'alliberi l'energia concentrada.
L'excés de pressió ocasionat per les partícules d'hidrogen sense alliberar causen un augment en la massa de l'estrella, convertint-la en una gegant vermella.
Quan finalment s'esgoten els processos de fusió a la superfície, la pressió sobre el nucli de l'estrella es torna excessiu, fent que es contregui fins a implosionar a causa de compressió de la seva massa, després d'això començarà un procés de refredament que durarà un altre parell de milers d'anys, fins a convertir-se en una nana blanca, una estrella morta.
