En noviembre de 1941 el astrónomo Erik Holmberg publicó en la revista The Astrophysical Journal -una de las más prestigiosas revistas de astronomía, revisada por pares-, un artículo titulado “On the clustering tendencies among the nebulae”, algo como “Sobre las tendencias del agrupamiento entre las nebulosas”, donde describía los resultados de un experimento de laboratorio por demás ingenioso y que tenía por objetivo responder la pregunta de cuáles son fenómenos físicos involucrados cuando dos galaxias colisionan. Hay que notar que lo que Holmberg nombra “nebulosas” es lo que hoy conocemos como galaxias: esas estructuras enormes, compuestas por miles de millones de estrellas, gas, polvo y que muestran formas variadas entre espirales, esféricas e irregulares. Holmberg estaba interesado especialmente en los brazos espirales de las galaxias y las fuerzas que los forman.
En su experimento, Holmberg construyó dos galaxias artificiales con 37 focos de filamento dispuestos sobre una superficie negra, donde la intensidad de cada foco representaba un pedazo de masa de las supuestas galaxias. Cada galaxia era como 37 velitas colocadas sobre un pastel de cumpleaños. Y he aquí lo ingenioso del experimento. Tanto la gravedad -que nos mantiene pegados al piso o hace que las galaxias choquen- como el brillo de cualquier cuerpo que emite luz, obedecen una ley llamada “inversa del cuadrado” y que en palabras sencillas significa que cuanto más alejados estemos, menos intenso será un fenómeno determinado. Cuanto más lejos estemos del Sol, menor cantidad de luz recibiremos en nuestros ojos y menor fuerza de gravedad sentiremos de nuestra estrella. De manera que usando los focos, Holmberg pudo reproducir los efectos de la gravedad que se sienten desde distintos puntos de una maqueta con forma de galaxia, midiendo la luz con una fotocelda. Luego, para simular el encontronazo de las galaxias fue moviendo adecuadamente uno a uno los 74 focos, de forma que tuvieran desplazamientos y velocidades proporcionales a los reales (por ejemplo, ambas galaxias rotaban desde un principio). A cada paso de tiempo Holmberg media la luz, estimaba la fuerza de gravedad, calculaba el movimiento que debían tener los focos y registraba en papel sus posiciones.
Al final, los datos mostraban una buena “película de acción galáctica”-en toda la extensión de la frase. Después de repetir varias veces el experimento, Holmberg encontró que siempre se creaban unos brazos espirales y propuso que estas extensiones (en realidad hechas de gas y estrellas) eran, efectivamente, creados cuando dos galaxias colisionan o por lo menos interaccionan muy de cerca.
Este fabuloso experimento se hizo 20 años antes de que por primera vez se usara una computadora para simular más adecuadamente la interacción y movimiento que tienen las estrellas dentro de sistemas parecidos a las galaxias, en mayo de 1960.
Hoy en día
Uno de los problemas más importantes de la astronomía actual radica en cómo se forman y evolucionan las galaxias. Por ejemplo, sabemos que nuestra Galaxia, la Vía Láctea, es una con brazos espirales más una especie de barra en el centro hecha de gas y estrellas. Sin embargo, sabemos muy poco de su historia dinámica y evolutiva. Muchas preguntas sobre su pasado y futuro permanecen aún sin respuesta.
¿Y por qué es tan difícil entender cómo se formaron y cómo evolucionan las galaxias? Bueno, el principal problema es que durante su vida ocurren muchos cambios dentro y fuera de ellas y esos cambios alteran de forma importante su desarrollo. Por ejemplo, las estrellas generan vientos de plasma prácticamente todo el tiempo, moviendo el gas cercano que las rodea. Pero al final de su vida arrojan mucho más material, que dependiendo de la masa de la estrella puede ser tranquila o violentamente. Por ejemplo, las estrellas mucho más grandes y masivas que el Sol explotan como supernovas, expulsando mucha de su masa y arrastrando gas hasta distancias enormes, produciendo movimientos caóticos del material. Por otro lado, la fuerza de gravedad ejercida por grupos de estrellas y por grandes volúmenes de gas y polvo también afectan la evolución de las galaxias. A esto hay que sumarle la materia oscura -una materia hipotética que interacciona gravitacionalmente con las estrellas y el gas de las galaxias, aunque su existencia no ha sido confirmada directamente-, que permite a las galaxias girar sin enrollarse rápidamente. Finalmente, los choques entre galaxias complementan la nada fácil “receta física” que intenta explicar la evolución de las galaxias.
Una de las partes más interesantes en este campo es el que se hace con simulaciones computacionales, que intentan recrear el pasado, confirmar las observaciones presentes y predecir lo que va a pasar con las galaxias. Estas simulaciones no son sencillas y requieren de complicados modelos físicos y de las más avanzadas máquinas disponibles. Por ejemplo, los procesos matemáticos que realizan las supercomputadoras en algunos días, tardarían decenas o cientos de años en una computadora portátil normal.
Simulando un camino de leche
Pongamos el ejemplo de una simulación de nuestra Vía Láctea, que es la galaxia más conocida y mejor estudiada. La simulación debe involucrar variables como: masa observada de gas (principalmente hidrógeno) y masa de estrellas, masa de materia oscura, frecuencia con que nacen nuevas estrellas, frecuencia con que mueren esas estrellas, velocidad de sus vientos y explosiones, dirección, velocidad, temperatura y densidad de las partes gaseosas, ancho y largo de la galaxia, dirección y velocidad con que se mueven los grupos de estrellas, tamaño y masa de los brazos espirales y la barra central, si ha tenido o no choques con otras galaxias y una lista algo más larga de ingredientes. Una vez que establecemos estos, hay que ponerlos en ecuaciones matemáticas y programas de cómputo. Enseguida, las computadoras resuelven esas ecuaciones y entregan -si tenemos un poco de suerte e hicimos bien las cosas- resultados lógicos y sensatos que serán comparados con los obtenidos por otros astrónomos en otras partes del mundo. Un trabajo científico realmente arduo.
Como podemos ver, “la receta” para crear galaxias, partiendo desde las maquetas de Holmberg hasta las modernas simulaciones computacionales es complicada pero muy interesante y aporta resultados muy importantes para la física y la astronomía. Y lo mejor, nos ayuda a tener una mejor idea de cómo se originan, cómo se comportan y cuál es el futuro de las galaxias, incluyendo la nuestra; esa que vemos en una noche despejada, atravesando el cielo y que los griegos creían un “camino de leche”.
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